Общая характеристика работы
ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПОПОВИЧ ТЕТЯНА АНАТОЛІЇВНА
УДК 677.027.524
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ
ПІГМЕНТНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ПРИ ДРУКУВАННІ
ТЕКСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ ІЗ ЦЕЛЮЛОЗНИХ ВОЛОКОН
05.19.03 – технологія текстильних матеріалів
Автореферат
дисертаціі на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Херсон – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Міщенко Ганна Володимирівна,
Херсонський національний технічний університет,
завідувач кафедри фізичної та неорганічної хімії.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Поліщук Степан Олександрович,
Херсонський національний технічний університет, професор кафедри технічної хімії та харчових технологій;
кандидат технічних наук, доцент Кулаков Олександр Іванович,
Хмельницький національний університет, доцент кафедри хімічної технології.
Провідна установа:
Львівська комерційна академія, кафедра товарознавства непродовольчих товарів, Центральна спілка споживчих товариств України.
Захист відбудеться “ 9 ” листопада 2006 р. о 1000 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 67.052.02 у Херсонському національному технічному університеті за адресою:
73008, м. Херсон – 8, Бериславське шосе, 24, корпус 1.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського
національного технічного університету за адресою:
м. Херсон – 8, Бериславське шосе, 24, корпус 1.
Автореферат розісланий “ 5 ” жовтня 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради О.П. Сумська
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Проблема випуску конкурентоспроможної текстильної продукції нерозривно пов'язана з підвищенням якості тканин та зі зниженням витрат на її виробництво.
Найперспективнішою в цьому плані є пігментна технологія, яка має технологічні, колористичні, економічні та екологічні переваги перед усіма іншими класами барвників.
В пігментній технології друкування особливу роль відіграє полімерне зв’язуюче, що утворює плівку на поверхні текстильного матеріалу з розподіленим в ній пігментом. Плівкоутворюючий полімер визначає якість забарвлення і в першу чергу його стійкість в процесі експлуатації текстильного виробу.
Більшість відомих зв’язуючих пігментних композицій для друкування текстильних матеріалів не задовольняють вимогам споживача щодо стійкості забарвлень до мокрого тертя. Показник стійкості забарвлень до цього виду фізикодій знаходиться в межах 3-4-х балів, що скорочує асортимент тканин, які можуть бути забарвлені за пігментною технологією.
Недоліком більшості пігментних композицій є наявність в їх складах небезпечних з екологічної точки зору формальдегідвмісних компонентів, що також звужує асортимент тканин, який може бути надрукований пігментами. Поступається пігментна технологія іншим технологіям друкування також витратами за статею “матеріали” - у собівартості технології вони складають більше 50 відсотків.
Отже, ефективність пігментної технології друкування та її роль в опорядженні тканин можуть бути значно підвищені за умов зміцнення забарвлень, спрощення складів, зменшення витрат на них, підвищення екологічної чистоти технології, що дасть змогу розширити обсяги використання пігментної технології друкування тканин.
Рішення цієї проблеми може бути здійснено за рахунок впровадження нових зв’язуючих на основі промотованих полімерів.
Актуальність теми визначається необхідністю збільшення обсягів використання пігментного друку за рахунок підвищення стійкості пігментних забарвлень до фізико-механічних дій, забезпечення екологічної чистоти текстильної продукції, що значно розширить асортимент тканин, які можуть друкуватися пігментами. Даного ефекту можна досягти шляхом впровадженням пігментних складів на основі нових марок акрилових зв’язуючих, зокрема дисперсій промотованих полімерів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у Херсонському національному технічному університеті відповідно до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки, а саме: “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” і виконувалась у рамках науково-дослідної роботи “Теоретичні дослідження фізико-хімічних основ отримання і застосування препаратів на основі водорозчинних полімерів для обробки текстильних матеріалів”. Номер державної реєстрації 0100U000401, протокол засідання Науково-технічної ради Міністерства освіти і науки України № 01 від 27.12.1999 р.
Особистий внесок автора полягає у розробці на основі промотованих полімерів нових малокомпонентних пігментних складів, які забезпечили підвищення стійкості забарвлення до фізико-механічних дій, збільшення екологічної чистоти технології і продукції та зменшення витрат на процес друкування.
Мета і завдання дослідження. Розробка пігментних друкарських складів з використанням вітчизняних акрилових зв'язуючих на основі промотованих полімерів, які можуть забезпечити підвищення стійкості забарвлень, екологічної чистоти текстильної продукції та зниження собівартості пігментних складів.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:
- дослідити колоїдно-хімічні властивості водних дисперсій полімерів акрилового та стирол-акрилового типу і фізико-механічні властивості плівок на їх основі;
- підвищити стійкість пігментних забарвлень до мокрого тертя за рахунок додаткового введення у склади відповідних компонентів друкарських фарб і застосування у ролі зв’язуючих промотованих полімерів;
- запропонувати нові склади для друкування пігментами на основі нових марок акрилових зв’язуючих;
- забезпечити м’який гриф надрукованих виробів;
- підвищити ступінь екологічної чистоти пігментної технології та текстильної продукції за рахунок розробки мало- і безформальдегідних складів;
- здійснити перевірку розроблених складів у виробничих умовах;
- виконати розрахунок економічної ефективності впровадження результатів дослідження на підприємствах галузі.
Об'єкт дослідження – процес друкування пігментами.
Предмет дослідження – склади для друкування пігментами на основі акрилових зв’язуючих нових марок.
Методи дослідження. Пігменти мають специфічний спосіб закріплення на текстильному матеріалі за рахунок полімерної плівки зв'язуючого, адгезійно зв'язаної з текстильним матеріалом. Хімічна природа і властивості плівкоутворюючого компонента роблять домінуючим вплив цих речовин на якість забарвлення надрукованої тканини. Зокрема, збільшення кількості функціональних груп у полімері підвищує адгезію зв’язуючого до субстрату та його здатність до реакцій “зшивання”, що сприятиме зміцненню забарвлень. Таким чином, за рахунок полімерного зв'язуючого може бути вирішено проблему збільшення стійкості забарвлень та підвищення ефективності пігментної технології в цілому.
Отже, виходячи із зазначеного, значна увага в роботі приділялася полімерним зв’язуючим, вивченню їх властивостей і властивостей плівок, сформованих зі зшиваючими компонентами. Цей підхід визначив комплекс методів, які було використано під час дослідження, а саме:
- гравіметричний, віскозиметричний, оптичний і колоїдно-хімічні методи дослідження властивостей водних дисперсій полімерів і плівок на їх основі;
- метод ротаційної віскозиметрії для дослідження реологічних властивостей загусників, придатних для пігментних друкарських складів на основі акрилових зв’язуючих, що досліджувались;
- колоїдно-хімічний і хімічний методи підвищення стійкості забарвлень, що базуються на підвищенні когезії полімерної плівки та адгезії полімерних складових до текстильного субстрату;
- термомеханічний метод дослідження гнучкості полімерів;
- ІЧ-спектрофотометричний метод дослідження полімерних плівок;
- спектрофотометричний метод оцінки інтенсивності забарвлень;
- методи, визначені чинними державними стандартами України на відповідну текстильну продукцію для оцінки фізико-хімічних і фізико-механічних показників надрукованих тканин.
При обробці експериментальних даних використано метод математичної статистики, а саме кореляційно-регресійний аналіз.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:
- розроблено систему “промотований полімер – система предконденсатів термореактивних смол” двох типів, яка забезпечує утворення адгезійного комплексу “полімер – текстильний матеріал” підвищеної міцності, що сприяє покращенню основних показників процесу друкування;
- вперше показано, що використання у ролі зв’язуючого промотованого акрилового сополімеру, який відзначається наявністю у макромолекулі груп-промоторів адгезії, забезпечує не тільки підвищення адгезії плівки до текстильного субстрату, але й створює умови для повноти реакцій зі зшиваючими агентами;
- показано, що підвищення стійкості забарвлення забезпечується шляхом створення умов для “роботи” зшиваючих агентів у двох напрямках одночасно, а саме, реакцій “зшивання” макромолекул промотованого полімеру поряд з додатковим смолоутворенням.
У процесі проведення досліджень автором отримано такі основні наукові результати:
- показано, що зміцнення полімерної плівки можливо за рахунок одночасного проходження реакцій “зшивання” та утворення другого полімеру, для чого рекомендовано систему предконденсатів термореактивних смол і каталізаторів;
- визначено, що іонізація карбоксильних груп полімеру в процесі синтезу забезпечує формування полімерних плівок через стадію проміжного гелю подібно поліуретановим іономерам, що знижує ступінь налипання на друкарські шаблони і полегшує промивання обладнання;
- показано, що за рахунок полімерів зв’язуючих, макромолекули яких містять групи-промотори, а саме метилольні групи, пігментні друкарські склади можуть бути значно спрощені за кількістю компонентів шляхом вилучення з рецептів предконденсатів термореактивних смол;
- показано, що застосування промотованих зв’язуючих у складах для друкування пігментами забезпечує підвищення екологічної чистоти технології пігментного друку.
Практичне значення одержаних результатів:
- підвищено ефективність пігментної технології друкування тканин за рахунок збільшення стійкості забарвлень, екологічної чистоти технології і текстильної продукції, а також за рахунок зниження собівартості пігментних складів для друкування;
- за рахунок підвищення стійкості пігментних забарвлень розширено асортимент текстильних матеріалів, які можуть бути надруковані за пігментною технологією.
Виробничі випробування проведено на ЗАТ Київська трикотажна фабрика “Роза” (акт виробничих випробувань від 15 грудня 2005 р., № ), що підтвердили можливість ефективного застосування розроблених пігментних друкарських складів і одержання при цьому продукції високої якості.
Економічний ефект від впровадження розроблених складів при друкуванні пігментами бавовняних тканин становитиме від 41 грн. до 313 грн. на 1000 м2 в залежності від пропонованого складу та вибору малюнка – білоземельного чи грунтового.
Особистий внесок здобувача. У роботах, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в критичному аналізі науково-технічної літератури та патентної інформації, у проведенні експериментальних досліджень, в узагальненні результатів, у формулюванні висновків та в розробці на основі промотованих полімерів нових малокомпонентних пігментних складів, що забезпечують при друкуванні забарвлення з підвищеною стійкістю до мокрого тертя, а також в апробації результатів досліджень у виробничих умовах.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися:
- на наукових семінарах кафедри хімії Херсонського державного університету (м. Херсон, 2004, 2005 рр.);
- на міжнародній науково-практичній конференції “Розвиток наукових досліджень” (м. Полтава, 7-9 листопада 2005 р.);
- на міжнародній науково-практичній конференції “Наука та інновації - 2005” (м. Дніпропетровськ, 31 жовтня 2005 р.);
- на ІV Всеукраїнській конференції молодих вчених та студентів “Наукові розробки молоді на сучасному етапі” (м. Київ, 19 травня 2005 р.);
- на науково-практичній конференції “Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины” (м. Херсон, 11-12 жовтня 2005 р.);
- на науковому семінарі кафедри товарознавства непродовольчих товарів Львівської комерційної академії (м. Львів, 2006 р.).
Публікації по темі дисертаційної роботи включають 7 найменувань, в тому числі 4 статті в наукових фахових журналах, 3 – у збірниках тез конференцій.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків.
Дисертація містить 151 сторінка машинописного тексту, в тому числі основної частини 140 сторінок, 44 таблиці, 24 рисунки, 121 найменування літературних джерел. Обсяг додатків – 21 сторінка.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі подано загальну характеристику роботи, розкрито сутність і стан наукової проблеми та її значення.
Наведено аналіз економічної ефективності пігментного друку та світова ситуація використання пігментів у друкуванні текстильних матеріалів. Визначені проблеми, що перешкоджають більш широкому впровадженню пігментної технології на підприємствах України, зокрема з причин відсутності вітчизняних полімерних зв’язуючих, які б забезпечували високу стійкість забарвлень і розширення асортименту тканин, що колоруються за пігментною технологією. Доведено необхідність підвищення ефективності пігментної технології, зокрема за рахунок використання як зв’язуючих промотованих полімерів, випуск яких налагоджено в Україні.
Обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, охарактеризовано об’єкт та предмет досліджень, наведено методи досліджень, сформульовано наукову новизну та практичну цінність роботи.
У першому розділі дисертації представлено літературний огляд, де наведено результати аналізу сучасного стану виробництва волокон, що показує підвищення обсягів виробництва тканин з бавовни, які в більшості колоруються за пігментною технологією.
Відмічено, що домінуюче положення пігменти займають при друкуванні текстильних матеріалів із целюлозних волокон та з суміші целюлозних і поліефірних волокон. Показано зміни стану виробництва барвників в Україні та у світі, а також обсяги використання пігментів при друкуванні тканин. Визначено особливості застосування пігментів та їх переваги у порівнянні з активними барвниками.
Показано роль пігментної технології друкування у створенні ресурсозберігаючих технологій та екологічно чистих технологічних процесів.
Відмічено, що вирішальну роль при пігментному друкуванні відіграє плівкоутворюючий полімер зв'язуючого, який визначає якість забарвлення і, в першу чергу, його стійкість в процесі експлуатації текстильного виробу.
Аналіз науково-технічної та патентної інформації дозволив визначити переважне застосування в якості плівкоутворюючих компонентів похідних акрилової та метакрилової кислот.
Розкрито проблеми, що виникають при пігментному друкуванні текстильних матеріалів, серед яких низькі показники стійкості забарвлення до мокрого тертя, а також використання формальдегідвмісних сполук.
На основі критичного аналізу літературних даних запропоновано шляхи вирішення проблеми підвищення ефективності пігментної технології друкування за рахунок підвищення стійкості забарвлення у разі використання як зв’язуючих акрилових промотованих сополімерів, а також самозшиваючих акрилових сополімерів, що виключає застосування формальдегідвмісних зшиваючих компонентів.
У другому розділі викладено загальну методику та основні методи дослідження.
Наведено коротку характеристику об’єктів дослідження. Враховуючи специфічний спосіб фіксації пігментів на текстильному матеріалі в полімерній плівці зв’язуючого, процес друкування пігментами бавовняного волокна розглянуто, як процес утворення адгезійного комплексу “полімерна плівка – текстильний матеріал” за такою схемою:
Адгезійний комплекс
Міцність утвореного комплексу, що визначається силами когезії та адгезії полімеру, тобто властивостями плівок, і буде визначати якість забарвлення.
Аналіз кінцевого результату процесу друкування саме з цих позицій дозволив використати колоїдно-хімічні підходи та методи для оцінки властивостей полімерних систем і здійснити вибір шляхів одержання полімерної системи з необхідними властивостями.
З урахуванням відзначеного, перш за все здійснювалася оцінка колоїдно-хімічних властивостей полімерних дисперсій і фізико-механічних властивостей плівок на їх основі за наступними методами:
- метод відриву кільця і сталагмометричний метод для оцінки поверхневого натягу рідини;
- метод Елтона для непрямої оцінки поверхневого натягу твердих тіл шляхом вимірювання крайових кутів змочування;
- гравіметричний метод визначення масової частки сухої речовини в полімерній дисперсії;
- фотометричний метод визначення розміру частинок полімерної дисперсії (колориметр фотоелектричний концентраційний КФК-2 МП);
- метод визначення мінімальної температури плівкоутворення (термоградієнтна установка “Термоспектр”);
- метод механічного руйнування адгезійних сполук для оцінки адгезійної міцності;
- термомеханічний метод дослідження гнучкості досліджуваних полімерів.
У процесі вирішення проблеми підвищення стійкості пігментних забарвлень використано колоїдно-хімічний підхід до підвищення адгезійної міцності комплексу плівка - субстрат та когезійної міцності самої полімерної плівки.
Дію добавок зшиваючих агентів у полімерній композиції з промотованим акриловим зв’язуючим досліджували ІЧ-спектро-фотометричним методом, для чого одержували ІЧ-спектри полімеру в присутності предконденсатів термореактивних смол.
Інтенсивність забарвлень оцінювали за функцією Гуревича-Кубелки-Мунка К/S.
Аналіз якості надрукованих тканин і фізико-механічних властивостей плівок проводили відповідно до чинних держстандартів України.
Результати експериментальних досліджень обробляли методами математичної статистики.
У третьому розділі представлено експериментально-теоретичну частину роботи, що складається з чотирьох підрозділів, у яких послідовно викладено:
- результати дослідження властивостей вітчизняних акрилових і стирол-акрилових водних дисперсій полімерів та плівок з них з метою встановлення можливості використання даних дисперсій як зв’язуючих пігментного друку;
- результати досліджень з підвищення стійкості забарвлень за рахунок використання промотованих акрилових сополімерів, системи предконденсатів термореактивних смол та системи каталізаторів;
- спосіб забезпечення підвищення екологічної чистоти пігментної технології та текстильної продукції за рахунок розробки мало- і безформальдегідних складів на основі акрилових зв’язуючих з метилольними групами-промоторами;
- результати досліджень при виборі загусника для пігментних друкарських складів, що містять акрилові сополімери як зв’язуючі;
- технологічні схеми, рецепти, режими, що запропоновані на базі виконаних досліджень;
- розрахунки економічного ефекту від впровадження розроблених складів у виробництво.
У першому підрозділі з метою встановлення ефективності використання нових марок акрилових дисперсій як зв’язуючих пігментних складів, у роботі було досліджено властивості дисперсій та полімерних плівок порівняно з типовими зв’язуючими, серед яких дисперсії акрилового та поліуретанового типів.
Характеристика дисперсій, що досліджувались та мономерний склад полімерів представлено в табл. 1.
Таблиця 1
Характеристика полімерних дисперсій
№ зразка дисперсії | Найменування
дисперсії | Держстандарт, ТУ або виробник | Мономерний склад | Тип полімеру
1 | Емульсар 290 | Підприємство “Полімер” м. Херсон, Україна | бутилакрилат-стирол-метакрилова кислота | акриловий сополімер
2 | Лакритекс TM 272 | ТУУ 24.3-19237456-001-04 (підприємство “Полімер” м. Херсон, Україна) | бутилакрилат-стирол-метакрилова кислота | акриловий сополімер
3 | Дисперсія 290А | Підприємство “Полімер” м. Херсон, Україна | бутилакрилат-стирол-метакрилова кислота | акриловий сополімер
4 | Дисперсія 290В | Підприємство “Полімер” м. Херсон, Україна | бутилакрилат-стирол-метакрилова кислота | акриловий сополімер
5 | Дисперсія 280 | Підприємство “Полімер” м. Херсон, Україна | бутилакрилат-метилметакрилат-метакрилова кислота | акриловий сополімер
6 | Поліуретанова дисперсія ДД-33 | НВО “Полімерсинтез”
м. Владимир, Росія | Ї | поліуре-
тановий полімер
Продовження таблиці 1
№ зразка дисперсії | Найменування
дисперсії | Держстандарт, ТУ або виробник | Мономерний склад | Тип полімеру
7 | Tanabond KB | Фірма Tanatex (Голландія) | Ї | акриловий сополімер
8 | Тeкстайл | Підприємство “Полімер” м. Херсон, Україна | бутилакрилат-стирол-метакрилова кислота-метилолакріламід | акриловий сополімер
Колоїдно-хімічні властивості даних дисперсій, які було визначено в процесі досліджень свідчать, що всі дисперсії мають слаболужні властивості та відносяться до агрегативно стійких високодисперсних колоїдних систем, поверхневі властивості яких знаходяться на рівні з типовими зв’язуючими.
Аналіз ізотерм поверхневого натягу водних розчинів дисперсій виявив, що збільшення концентрації дісперсій вище 100 г/л різко зменшує поверхневий натяг розчинів. При зазначеній концентрації зв’язуючого показник поверхневого натягу є таким, що задовольняє технологічним вимогам.
Отже склади та розчини, що виготовлятимуться на основі досліджених полімерних дисперсій не потребують введення додаткових поверхнево-активних речовин і забезпечать виключення такого виду браку як “непродрукування”.
Оскільки головною функцією зв’язуючого є міцне утримання частинок пігменту на поверхні текстильного матеріалу, було визначено також адгезійну міцність склейок досліджуваних полімерних дисперсій на різних за хімічною природою текстильних субстратах.
Дані з адгезійної міцності зразків, що були склеєні дисперсіями на поліефірному, поліамідному та бавовняному субстратах, показали, що даний показник в 2 рази більший за показник для полівінілацетатної емульсії, яка широко використовується при обробці текстильних матеріалів. Визначено, що найбільшу адгезійну здатність досліджені дисперсії виявляють до тканин із целюлозних волокон.
Для висновку про придатність водних дисперсій як плівкоутворюючих сполук, було досліджено властивості плівок даних дисперсій за наступними характеристиками: поверхневі властивості плівок; відносне подовження; розривна міцність; оптична густина плівок; товщина плівок; розчинність і набрякання полімерних плівок.
Отримано результати (табл. 2), які дозволили встановити, що плівки сформовані з вітчизняних полімерних дисперсій тонкі, володіють гігроскопічними властивостями, розчинність плівок менша порівняно, наприклад, з поліуретановою плівкою ДД-33, яка розчиняється без набрякання в миючих розчинах внаслідок гідролізу навіть при незначному підвищенні температури.
Таблиця 2
Фізико-механічні характеристики плівок
№ зразка диспер-сіїї | Товщина плівки, мкм | Гігро-скопіч-ність,
Г, % | Розривна міцність,
ур, МПа | Відносне
подов-ження, Е, % | Розчинність у мильно-содовому розчині при
95 0С, % | Мінімальна температура плівко-утворення, 0С
1 | 0,19 | 1,87 | 12,5 | 226 | 1,07 | +16
2 | 0,26 | 1,69 | 7,5 | 682 | 1,18 | +5
3 | 0,21 | 1,40 | 18,5 | 112 | 1,00 | +20
4 | 0,22 | 0,85 | 25,5 | 122 | 1,03 | +20
5 | 0,22 | 2,13 | 17,5 | 346 | 2,00 | +10
6 | 0,28 | 4,31 | 9,5 | 1054 | розчинилася | +1
7 | 0,27 | 15,2 | 1,9 | 583 | 3,80 | +12
Дослідження залежностей характеристик плівок “розривна міцність – відносне подовження” та побудова термомеханічних кривих довели, що з Дисперсіі 290А та Дисперсії 290В формуються плівки крихкі та жорсткі, тому дані полімери не можуть бути використані як плівкоутворюючі зв’язуючі при пігментному друкуванні.
Вимогам формуванню еластичної плівки задовольняють полімерні дисперсії Емульсар 290, Лакритекс TM 272, Дисперсія 280, мінімальна температура плівкоутворення яких знаходиться в межах від + 5 до + 16 0С. Тому і плівки з даних дисперсій більш еластичні, а на термомеханічних кривих цих полімерів існує відрізок або плато високоеластичного стану.
Таким чином, було встановлено, що за фізико-механічними властивостями як плівкоутворюючі зв’язуючі можуть бути запропоновані полімерні дисперсіі Емульсар 290, Лакритекс TM 272, Дисперсія 280. Дані дисперсіі було випробовано в друкарських складах порівняно з типовими зв’язуючими при друкуванні пігментом Pigmacol red KBD на бавовняній, поліефірній та поліамідній тканинах.
Встановлено, що найкращі показники стійкості забарвлень одержані на бавовняній тканині при використанні стирол-акрилової дисперсії № 2 (Лакритекс TM 272), яка відзначається підвищеним вмістом метакрилової кислоти, тобто даний полімер у своєму складі має карбоксильні групи – групи, що є промоторами адгезії та які відіграють важливу роль у процесі формування міцної полімерної плівки. Але показники якості забарвлень надрукованих зразків залишаються недостатніми для оцінки стійкості забарвлення як “стійке” або “особливо стійке”.
У відповідності до отриманих результатів, наступний розділ роботи присвячений пошуку шляхів підвищення стійкості пігментних забарвлень.
У другому підрозділі викладено результати дослідження з підвищення стійкості пігментних забарвлень. При вирішенні даного питання виходили з того, що міцність зщеплення між адгезивом та субстратом збільшується при введенні в акриловий сополімер промоторів адгезії. Роль таких груп – промоторів адгезії в макромолекулі полімеру відіграють карбоксильні групи, для чого при синтезі сополімеру збільшено долю метакрилової кислоти.
Спрогнозовано, що збільшення вмісту карбоксильних груп також буде створювати додаткові умови для реакцій “зшивання” полімеру зв’язуючого з молекулами предконденсатів термореактивних смол (ПТРС). Сітчаста полімерна структура, яка формується в даному процесі, сприятиме не тільки підвищенню адгезії плівки, але й її когезії.
Третій шлях, який може бути використаний – це одночасне застосування в пігментних друкарських складах предконденсатів термореактивних смол двох типів, які забезпечують проходження реакцій у двох різних напрямках, а саме – в напрямку “зшивання” та в напрямку смолоутворення, тобто утворення додаткового полімеру за рахунок реакції поліконденсації.
Таким чином, зі сказаного вище виходить, що для отримання міцного композиційного полімерного матеріалу, необхідно створити умови для проходження реакцій за участю всіх компонентів полімерної системи в двох напрямках:
1) зшивання функціональних груп ПТРС з карбоксильними групами акрилового сополімеру;
2) формування додаткового полімеру з молекул зшиваючого агенту другого типу.
Для проходження вказаних процесів перш за все необхідно було визначити, який з полімерів зв’язуючих, що відрізнялися різним вмістом метакрилової кислоти і відповідно карбоксильних груп, буде більш ефективним для утворення міцної полімерної плівки.
До складу полімерів входили мономери стиролу, бутилакрилату та модифікуючий мономер з групами промоторами – це метакрилова кислота. Концентрація метакрилової кислоти в полімерах коливалася в межах 2, 5, 8%.
Колоїдно-хімічні властивості латексів і фізико-механічні показники плівок, сформованих з дисперсій з різним вмістом метакрилової кислоти свідчать, що відмінність спостерігається, насамперед, в ступені набрякання плівок і в'язкості водних розчинів дисперсій, а також у швидкості випаровування вологи при формуванні плівок.
Сповільнений процес плівкоутворення полімеру з великим вмістом гидрофільних карбоксильних груп забезпечує можливість більш легкого видалення друкарських складів при промивці друкарського устаткування, що підтверджується даними дослідження з оцінки ступеня забивання шаблонів.
Встановлено, що полімерна дисперсія з вмістом метакрилової кислоти 8% забезпечує найбільший показник адгезійної міцності склейок на бавовняному субстраті: склейки в 2 рази міцніші порівняно зі зразками тканин склеїними латексом, який мав 2% карбоксильних груп і в 1,7 рази – з вмістом карбоксильних груп 5%.
Також збільшення кількості метакрилової кислоти в полімері зв’язуючого підвищує показник стійкості забарвлення (табл. 3).
Таблиця 3
Якість забарвлень при друкуванні пігментом Pigmacol blue K2G
бавовняної тканини акриловими зв’язуючими
з різним вмістом метакрилової кислоти
Вміст
метакрилової кислоти, % | Стійкість забарвлення,
бали | Інтенсивність забарвлення,
К/S, од. | Жорсткість тканини, ЕІ,
мкН·см2 | Рівнота
забарвлення
?К/S, %
сухе тертя | мокре тертя | прання № 4 за держ-стандартом
2 | 2-3/3 | 2/3 | 4/4 | 9,5 | 2835 | 5,0
5 | 2-3/3 | 2/3 | 5/4 | 9,3 | 2810 | 5,5
8
(Лакритекс TM 272) | 3/4 | 3/3 | 5/5 | 9,2 | 2810 | 7,0
Таnabond KB | 3/4 | 3/3 | 5/5-4 | 9,0 | 2820 | 5,0
З метою підвищення стійкості забарвлень при друкуванні акриловим зв’язуючим ЛакритексTM 272, досліджувалися різні типи предконденсатів термореактивних смол для вибору зшиваючого агента, який би ефективно взаємодіяв з функціональними групами полімеру зв'язуючого з утворенням поперечних зв’язків, що в комплексі створить ущільнену структуру полімерної плівки та підвищить стійкість забарвлень до фізико-механічних дій.
До полімерної дисперсії ЛакритексTM 272 з підвищеним вмістом метакрилової кислоти, додавали різні типи предконденсатів термореактивних смол і формували плівки, після чого визначали їх властивості за розчинністю плівок в водно-ацетоновому розчині та ступенем набрякання плівок.
Встановлено зниження даних показників в присутності добавок ПТРС, що свідчить про утворення хімічних зв’язків між карбоксильними групами акрилового сополімеру та метилольними групами зшиваючого агента. Одержані дані дозволили обрати зшиваючий агент високоетерифікованої сполуки метилолмеламінової смоли, який виявився найбільш ефективним для створення міцної полімерної плівки.
Показано, що використання систем предконденсатів термореактивних смол, а саме – метилолмеламінової смоли (принтофікс “Фіксирер WB”), яка схильна до смолоутворення і метилолдігідроксиетиленсечовини (стабітекс GFA) та метилолетиленсечовини (карбамол ЦЕС), які більш здатні до реакцій “зшивання”, виявилось набагато ефективнішим порівняно з кожним окремо препаратом, що видно з даних адгезійної міцності склейок на рис. 1.
Рис. 1. Вплив предконденсатів термореактивних смол
на адгезійну міцність склейок зразків бавовняної тканини:
1 – карбамол ЦЕС; 2 – стабітекс GFA; 3 – принтофікс
“Фіксирер WB”; 4 – принтофікс “Фіксирер WB” + карбамол
ЦЕС (1:1); 5 – принтофікс “Фіксирер WB” + стабітекс GFA (1:1)
Так, використання системи “принтофікс “Фіксирер WB” + стабітекс GFA” збільшує адгезійну міцність склейок в 1,6 рази.
На користь утворення щільної композиційної плівки з акрилового сополімеру в присутності системи предконденсатів термореактивних смол двох типів свідчать ІЧ-спектри плівок, сформованих з ЛакритексTM 272 та системи “принтофікс “Фіксирер WB” + стабітекс GFA”.
На спектрах відмічено зниження інтенсивності поглинання в зоні валентних коливань груп – ОН та – СООН, що свідчить про зниження їх кількості за рахунок можливої взаємодії карбоксильних груп полімеру зв’язуючого з метилольними групами зшиваючого агента, а також взаємодії метилольних груп між собою в ході реакції поліконденсації.
Встановлено, що ефективна “робота” різних типів предконденсатів термореактивних смол у друкарських складах вимагає використання системи каталізаторів.
Як видно з даних табл. 4, найкращу якість друкування забезпечує сумісне використання амоній хлориду, пероксиду водню та системи різних типів предконденсатів термореактивних смол – принтофіксу та стабітексу.
Таблиця 4
Вплив системи предконденсатів термореактивних смол
і каталізаторів на якість друкування бавовняної тканини
пігментом блакитним фталоціаніновим ТП при використанні
в якості зв’язуючого ЛакритексTM 272
№ п/п | Предконденсат термореактивної смоли | Каталізатор | Стійкість забарвлення, бали | Інтенсивність
забарвлення, К/S, од. | Жорсткість тканини, ЕІ, мкН·см2
сухе тертя | мокре тертя | прання №4
за держ-стандартом
1 | принтофікс | NH4Cl | 4/4 | 4/4 | 5/5 | 8,5 | 2872
2 | принтофікс | MgCl2 | 4/4 | 3-4/4 | 5/5 | 8,2 | 2905
3 | принтофікс | Zn(NO3)2 | 3-4/4 | 3-4/4 | 5/5 | 8,3 | 2885
4 | принтофікс + стабітекс | NH4Cl | 4-5/5 | 4/4 | 5/5 | 8,0 | 2965
5 | принтофікс + стабітекс | MgCl2 | 4/4 | 3-4/4 | 5/5 | 7,8 | 2960
6 | принтофікс + стабітекс | Zn(NO3)2 | 4/4 | 3-4/4 | 5/5 | 8,0 | 2972
7 | принтофікс + стабітекс | (NH4)2S2O8 | 3-4/4 | 3-4/4 | 5/5 | 9,0 | 2895
8 | принтофікс + стабітекс | Н2О2 |
4/4 | 3-4/4 | 5/5 | 9,5 | 2869
9 | принтофікс + стабітекс | NH4Cl + (NH4)2S2O8 | 4/5 | 4/4 | 5/5 | 9,2 | 2800
10 | принтофікс + стабітекс | NH4Cl + Н2О2 | 5/5 | 4-5/5 | 5/5 | 9,5 | 2765
Таким чином, друкування бавовняної тканини пігментним складом, до якого входять: Лакритекс TM 272, акриловий загусник, вода, система предконденсатів термореактивних смол з метилолмеламінової смоли та метилолдігідроксиетилен сечовини, а також система каталізаторів з амоній хлориду та пероксиду водню забезпечує хорошу інтенсивність забарвлення, високі показники стійкості забарвлень до фізико-механічних дій, зокрема, до мокрих обробок на рівні 4-5/5 балів та м'який гриф надрукованої тканини.
Недоліком вказаного друкарського складу залишається можливість виділення вільного формальдегіду. Тобто продукцію, яку буде одержано за допомогою зв’язуючого ЛакритексTM 272 не можна віднести до тієї, що вважається зовсім екологічно чистою. Це звужує сферу застосування зв’язуючого ЛакритексTM 272 у пігментному друкуванні. Його небажано використовувати для колорування, наприклад, тканин дитячого асортименту або тканин для білизни. Зазначений асортимент повинен друкуватися складами, що є зовсім вільними від формальдегіду.
З цією метою було синтезовано нові самозшиваючі зв’язуючі на основі ефіракрилату з новим мономером у складі, який містить групи-промотори – метилольні групи, що здатні до міжмолекулярного самозшивання та реакцій з гідроксильними групами целюлози під дією високих температур. Перевагою такого зв’язуючого, який одержав назву “Текстайл” є те, що він не потребує введення зшиваючих агентів до друкарських фарб, бо здатний до самозшивання за схемою:
Встановлено, що склади на основі зв’язуючого Текстайл, які не містили предконденсатів термореактивних смол та каталізаторів, при друкуванні пігментами на целюлозних волокнах забезпечують високу інтенсивність забарвлення, високі показники стійкості забарвлень та м'який гриф надрукованої тканини. Підвищення температури термообробки тканини після сушіння надрукованої тканини до 170 0С підвищує стійкість забарвлення до тертя приблизно на 0,5-1,0 бали.
Визначено вміст формальдегіду на тканині ацетилацетоновим методом при друкуванні текстильних субстратів пігментними складами на основі полімерних зв’язуючих Лакритекс TM 272 та Текстайл. Показано, що вміст формальдегіду на тканині зменшується в 1,8 рази шляхом введення в друкарський склад на основі Лакритекс TM 272 добавок, які зв’язують формальдегід. В даному випадку це препарат пероксогідрат сечовини, який містить пероксид водню та сечовину. При використанні в пігментних друкарських складах самозшиваючого зв’язуючого Текстайл, на зразках надрукованої тканини формальдегід не виявлено.
Таким чином встановлено, що використання самозшиваючого зв’язуючого Teкстайл мінімізірує кількість компонентів друкарських фарб при одночасному збереженні показників стійкості надрукованих зразків до фізико-механічних дій та сприяє отриманню екологічно чистої текстильної продукції, вільної від формальдегіду.
В результаті проведених досліджень визначено найбільш ефективний загусник для складів на основі промотованих акрилових зв'язуючих - загусник акрилового типу, який володіє необхідними реологічними властивостями та забезпечує високу стійкість забарвлення без зміни грифу надрукованої тканини та інтенсивності забарвлення.
У третьому підрозділі наведені пігментні склади, схеми та режими друкування, що встановлені на основі проведених досліджень і одержаних результатів та оцінка якості друкування.
Таблиця 5
Оцінка якості друкування пігментними складами
на основі Лакритекс TM 272 та Тeкстайл
Компоненти друкарських складів, г/кг | Стійкість забарвлення, бали
сухе
тертя | мокре тертя | прання №4
за держ-стандартом
Друкарський склад І
ЛакритексTM 272 100 – 140
Пігмент 10 – 40
Принтофікс “Фіксирер WB” 10 – 20
Стабітекс GFA 20 – 35
Амоній хлорид 6 – 8
Пероксид водню в складі препарату
монопероксигідрату сечовини (ПГМ) 4 – 6
Акриловий загусник 20
Вода до 1000 | 5/5 | 4-5/5 | 5/5
Друкарський склад ІІ
ЛакритексTM 272 80 – 160
Пігмент 10 – 60
Акриловий загусник 20
Вода до 1000 | 3/4 | 3/3 | 5/5
Друкарський склад ІІІ
Текстайл 90 – 120
Пігмент 10 – 20
Акриловий загусник 20
Вода до 1000 | 5/5 | 4-5/5 | 5/5
Як видно з даних табл. 5, пігментні склади І та ІІІ забезпечують високу стійкість забарвлення до сухого та мокрого тертя, тому можуть бути застосовані при друкуванні текстильних матеріалів того асортименту, який вимагає високої стійкості забарвлень.
Якщо вимоги споживача та технічні умови на тканину не потребують особливо високої стійкості забарвлень, при пігментному друкуванні з Лакритекс TM 272 може бути використаний склад ІІ.
Технологічний процес при застосуванні пігментних складів І, ІІ не відрізняється від типового і здійснюється за схемою:
друкування сушіння, 80 0С, термічна обробка, 150 – 160 0С, 1,5 – 3 хв.
При застосуванні друкарських складів на основі зв’язуючого Текстайл температура термічної обробки підвищується до 170 0С, 2 – 3 хв.
Друкарський склад І перевірено у виробничих умовах ЗАТ Київська трикотажна фабрика “Роза” при друкуванні пігментами безафлуором зеленим та безапрінтом коричневим по трикотажному полотну
арт. 1П-81841-11 (100%-ва бавовна). Результати друкування оцінювали за стійкістю забарвлень до фізико-механічних впливів згідно з держстандартом на відповідну текстильну продукцію (табл. 6).
Таблиця 6
Показники якості забарвлення тканини при друкуванні
пігментним складом зі зв’язуючим ЛакритексTM 272
у виробничих умовах
Арт. полотна | Сировин_ний склад полотна | Стійкість забарвлення, бали | Контури малюнка | Гриф полотна після друку
до сухого тертя | до мокрого тертя | прання №4 за держ-стандартом | до поту
1П-
81841-11
( ЗАТ “Роза”, м. Київ) | бавовна | 5/4 | 5/4 | 5/5 | 5/5 | чіткі | м’який
У четвертому підрозділі виконано розрахунки очікуваного економічного ефекту від впровадження розроблених пігментних друкарських складів на основі промотованих акрилових зв’язуючих Лакритекс TM 272 та Текстайл. Очікуваний економічний ефект становитиме від 41 до 313 грн. на 1000 м2 в залежності від запропонованого складу та вибору малюнка – білоземельного чи ґрунтового.
ВИСНОВКИ
1. Підвищено ефективність пігментної технології друкування за рахунок зниження собівартості пігментних складів, зменшення витрат на технологію друкування, забезпечення екологічної чистоти пігментної технології та надрукованої продукції, що досягнуто завдяки підвищенню стійкості забарвлень, вилученню формальдегідвмісних зшиваючих агентів та розробці малокомпонентних друкарських складів. Ефекти досягнуто за рахунок використання в складах для друкування як зв’язуючих нових водних акрилових сополімерів, що відрізняються наявністю в макромолекулах груп-промоторів адгезії, в тому числі здатних до реакції самозшивання та утворення полімеру сітчастої структури.
2. Показано, що стійкість забарвлення до мокрого тертя може бути значно підвищена шляхом збільшення у макромолекулах акрилового сополімеру кількості вільних карбоксильних груп, що створює умови для підвищення реакційної здатності полімеру-зв’язуючого до взаємодії з предконденсатами термореактивних смол, а також до адгезійного контакту з поверхнею тканини, що друкується.
3. Запропоновано для підвищення стійкості забарвлення використовувати системи предконденсатів термореактивних смол різних типів і системи каталізаторів, що забезпечує проходження реакцій у різних напрямках і створює умови для підвищення щільності межового шару на поверхні поділу текстильний матеріал - полімерна плівка.
4. Розроблено малокомпонентний друкарський склад на основі самозшиваючого полімеру-зв’язуючого, який відрізняється відсутністю серед компонентів системи предконденсатів термореактивних смол, які містять формальдегід, що забезпечує підвищення екологічної чистоти технології пігментного друку і надрукованої тканини.
5. Визначено, що розроблені пігментні друкарські склади не створюють проблеми налипання зв’язуючого на робочі ділянки обладнання, зокрема на раклю і шаблони, що пов’язано з іонізацією карбоксильних груп полімеру-зв’язуючого у випускній формі.
6. Проведено виробниче випробування розробленого складу в умовах текстильного підприємства і відзначено високу стійкість забарвлень, м’який гриф надрукованої тканини, високу інтенсивність забарвлення, добру сумісність компонентів фарби, її стабільність, а також відсутність налипання друкарського складу на сито шаблона та раклю.
7. Виконано розрахунки економічного ефекту, який може очікуватися при впровадженні розроблених складів у виробництво. Економія складатиме від 41 грн. до 313 грн. на 1000 м2 в залежності від запропонованого складу та вибору малюнка – білоземельного чи ґрунтового.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Попович Т.А., Мищенко А.В., Шипилов Ю.Г. Исследование возможности использования акриловых и стирол-акриловых полимерных эмульсий отечественного производства для колорирования пигментами // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. – 2004. – № 2 (9). – С. 134-137.
Особистий внесок: експериментальні дослідження та оцінка якості забарвлень при колоруванні пігментами тканин різного сировинного складу.
2. Попович Т.А., Міщенко Г.В. Оцінка колоїдно-хімічних властивостей полімерних емульсій та плівок акрилового та стирол-акрилового ряду вітчизняного виробництва // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. – 2005. – № 1 (10). – С. 194-196.
Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень поверхневих властивостей емульсій та плівок, узагальнення висновків.
3. Попович Т.А., Погорела О.В. Вивчення властивостей плівок з акрилових та стирол-акрилових полімерних емульсій вітчизняного виробництва // Вістник Київського національного університету технологій та дизайну. – 2006. – № 2 (28). – С. 87-91.
Особистий внесок: експериментальні дослідження та вибір групи полімерних емульсій в якості плівкоутворюючих зв’язуючих для пігментного друку текстильних матеріалів.
4. Попович Т.А., Мищенко А.В., Редчиц Ю.И. Определение оптимальных соотношений "связующее : пигмент" в полимерных пигментных составах на основе акриловых и стирол-акриловых эмульсий отечественного производства // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2005. – № 6/2 (18). – С. 199-202.
Особистий внесок: розробка полімерних друкарських складів з оптимальним співвідношенням “зв’язуюче : пігмент”, що забезпечують отримання інтенсивних та стійких забарвлень..
5. Попович Т.А., Круглов П.Ю. Ефективність використання вітчизняних акрилових і стирол-акрилових полімерів у друкуванні пігментами // Тези доповідей ІV Всеукраїнської ювілейної наукової конференції молодих
