ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
СЕМЕНЧЕНКО ОКСАНА ОЛЕКСАНДРІВНА
УДК 677.016.4: 677.85
Інтенсифікація процесів колорирування
бавовняних тканин прямими і кубовими барвниками
05.19.03 – технологія текстильних матеріалів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Херсон
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 Смеречинська Ніна Родіонівна,
Київський національний університет технологій та дизайну,
доцент кафедри опоряджувального виробництва.
Провідна установа: Хмельницький національний університет,
кафедра хімічної технології, Міністерство освіти і науки України,
м. Хмельницький.
Захист відбудеться 7 “ червня 2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.02 в Херсонському національному технічному університеті за адресою:
73008, м. Херсон – , Бериславське шосе, 24, корпус 1, ауд. 223.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою:
м. Херсон – , Бериславське шосе, 24, корпус 1.
Автореферат розісланий 5 “ травня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради О.П. Сумська
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Однією з основних задач, що стоїть перед текстильною галуззю, є створення конкурентоспроможної текстильної продукції.
Конкурентоспроможність текстильної продукції визначається двома основними факторами – якістю та витратами на виробництво.
У виробництві тканин виключно важливу роль відіграє її опорядження, зокрема колорирування, якому підлягає більша частина текстильних матеріалів.
Процес фарбування характеризується значними втратами барвника, обумовленими недостатньо високим ступенем фіксації барвника на волокні, що знижує якість забарвлення, збільшує витрати на фарбування, ускладнює екологічну ситуацію і потребує значних витрат на очищення стічних вод.
Внаслідок відміченого практично усі процеси фарбування та друкування здійснюються із застосуванням різних способів інтенсифікації, що дозволяє підвищити ступінь фіксації барвника і якість забарвлених тканин.
Використання цих способів інтенсифікації дозволило розробити багато різних ефективних способів колорирування тканин, на основі яких сьогодні одержують високоякісне забарвлення.
Але проблема у повній мірі не вирішена і залишається актуальною і на сьогодні. Достатньо відмітити, що ступінь невиробничих витрат барвників для більшості марок складає 5 ? 30%, а для окремих барвників сягає 40 ? 50%, що значно ускладнює екологічну ситуацію в опоряджувальному виробництві і збільшує собівартість опорядження тканини.
Актуальність теми. Актуальність даної роботи визначається необхідністю пошуку і застосування нових способів інтенсифікації, які б забезпечили підвищення ступеня фіксації барвника на волокні за умов забезпечення необхідної якості пофарбованої тканини, зниження собівартості її опорядження, підвищення екологічної чистоти технології.
При виборі способу інтенсифікації виходили з нової точки зору на теорію фарбування, у відповідності до якої припускається, що головну роль у фарбуванні відіграє поверхня волокна і пропонується керувати процесом фарбування шляхом впливу на стан поверхні волокна. Прихильники нової теорії фарбування розглядають процеси на поверхні волокна як такі, що відбуваються за редокс-механізмом. Впливаючи на ці процеси за допомогою окисників або відновників, можна регулювати процес фарбування.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконувалась у Херсонському національному технічному університеті у відповідності до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки, а саме: “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” в рамках науково - дослідної роботи “Теоретичне обґрунтування і розробка технології колорирування текстильних матеріалів на основі зміни властивостей їх поверхонь”. Державний реєстраційний номер 0105U002287, протокол засідання науково-технічної ради Міністерства освіти і науки України № 960 від 22.01.2004 р.
Роль автора полягає у розширенні уявлень про дію тіосечовини у фарбувальних розчинах, визначені залежності дії тіосечовини від хімічної будови прямого барвника, встановленні механізму дії тіосечовини на інтенсифікацію процесів фарбування кубовими барвниками, у розробці удосконалених технологій фарбування тканин з використанням елементів електронної теорії фарбування.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є інтенсифікація процесів колорирування бавовняних текстильних матеріалів прямими та кубовими барвниками слабкими відновниками, що дозволить підвищити конкурентоспроможність текстильних матеріалів за рахунок скорочення витрат і підвищення економічної і екологічної ефективності технологій фарбування та друкування.
Для досягнення поставленої мети передбачено вирішення наступних задач:
- оцінка стану поверхонь тканин, що підготовлені для фарбування за різними схемами;
- вивчення впливу на процес адсорбції прямих барвників волокном добавок відновників;
- здійснення вибору найбільш ефективних добавок при фарбуванні прямими барвниками;
- формулювання на основі проведених досліджень рекомендацій щодо вдосконалення технології фарбування прямими барвниками;
- вивчення дії домішок тіосечовини на процеси колорирування кубовими барвниками;
- оцінка зміни ступеня фіксації кубового барвника у присутності тіосечовини;
- встановлення можливого механізму дії добавок тіосечовини на процес фарбування;
- оцінка економічної і екологічної ефективності результатів досліджень.
Об’єкт дослідження процес фарбування прямими барвниками та процеси фарбування і друкування кубовими барвниками у присутності добавок слабких відновників.
Предмет дослідження кубові і прямі барвники.
Методи дослідження. При обранні способу інтенсифікації для підвищення ступеня фіксації барвника на волокні використовували нові сучасні уявлення і підходи як до процесу фарбування, так і до ролі поверхні волокна та стадії адсорбції у цьому процесі, що покладені в основу електронної теорії фарбування. Відповідно до нових уявлень у фарбуванні важливу роль відіграє стан поверхні на електронному рівні, який можна змінювати введенням до системи розчин барвника – волокно відновників і окисників. У ролі слабких відновників використовували сполуки, найбільш поширені у опоряджувальному виробництві та технологічні, з точки зору застосування і екологічної безпеки, а саме, тіосечовину і глюкозу. Прямі барвники обирали як найбільш поширені, легкі у застосуванні та внаслідок їх іонного характеру.
Кубові барвники взаємодіють з волокном по типу прямих, є надзвичайно цінними за своїми характеристиками, але більшість з них мають ступінь фіксації на волокні у межах 50 ? відсотків, зокрема це група тіоіндигоїдних барвників.
Оцінку стійкості забарвлень до фізико-механічних дій здійснювали у відповідності до державних стандартів. Порівняльну оцінку стійкості забарвлень здійснювали шляхом побудови кінетичних кривих десорбції та розрахунку швидкості десорбції барвника з волокна.
Кількісне визначення кубового барвника на волокні проводили двома способами: методом Соколова, за яким забарвлене волокно розчиняли у сульфатній кислоті та методом вилучення барвника з волокна розчинниками, у яких він розчиняється.
Кількість прямого барвника на волокні визначали фотоелектроколориметричним способом з використанням фотометра КФК – .
Відновні властивості тіосечовини та її дію на розчини ронгаліту С визначали шляхом оксредметрії, використовуючи мілівольтметр рН .
Для оцінки колористичних характеристик забарвлень застосовували спектрофотометр “Texflash” (Німеччина) з використанням пакету типових прикладних програм.
Якість підготовки тканин оцінювали за методом Зисмана, який базується на визначенні критичної поверхневої енергії, використовуючи у якості стандартних розчинів водно-етанольні розчини з відомими значеннями поверхневого натягу.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:
- розширено уявлення про дію тіосечовини при фарбуванні прямими і кубовими барвниками;
- показано вибіркову дію тіосечовини як інтенсифікатора при фарбуванні прямими барвниками і встановлено залежність цього впливу від хімічної будови барвника;
- показано, що тіосечовина не проявляє інтенсифікуючого впливу на сорбцію тих барвників, з якими вона може утворювати комплекси або сполуки включення;
- встановлено вплив слабкого відновника на упорядкування прямих барвників на волокні, попередньо обробленому алюмосилікатами, що супроводжується, при збільшенні сорбції барвника, зниженням інтенсивності забарвлення, а також підвищенням його стійкості.
Основні наукові результати роботи:
- підтверджено основне положення електронної теорії фарбування відносно того, що на адсорбцію барвників суттєвий вплив спричиняють процеси, що пов`язані з перенесенням електронів;
- показано, що іони металів, як локальні активні центри волокна, що фарбується, проявляють свою дію більш ефективно у присутності відновників;
- показано високу ефективність і стабільну дію тіосечовини як інтенсифікатора при колорируванні кубовими барвниками за усіма способами;
- встановлено механізм дії тіосечовини як інтенсифікатора при колорируванні кубовими барвниками, що полягає у впливі на швидкість розкладу ронгаліту С та у сприянні підвищенню швидкості утворення відновленої форми барвника, тобто тіосечовина продуктами свого розкладу ініціює реакції розкладання ронгаліту С.
Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному :
- у підвищенні ступеня фіксації барвників на волокні;
- у зниженні екологічного навантаження на водний басейн за рахунок зменшення скидів барвника у стічні води;
- у зменшенні витрат на процес фарбування за рахунок скорочення витрат барвника, підвищення ефективності технологічного процесу.
Виробничі випробування, що проведені на підприємстві “Лотос” при фарбуванні пряжі кубовими барвниками (акт випробування від 14.12.06 р.), підтвердили ефективність використання тіосечовини. Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів дослідження при друкуванні кубовими барвниками складатиме від 16,9 до 49,2 грн. на 1000 м в залежності від площі, яку займатиме малюнок.
Особистий внесок здобувача. В роботах, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у наступному: в критичному аналізі науково – технічної і патентної інформації з питань інтенсифікації процесів фарбування; у виконанні експериментальних досліджень; встановленні механізму дії тіосечовини як інтенсифікуючої добавки при колорируванні бавовняних тканин прямими і кубовими барвниками.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися:
- на V Всеукраїнській науково-практичній конференції Проблеми легкої і текстильної промисловості України(м. Херсон, 10 – жовтня 2005 р.);
- на VI Всеукраїнській науково практичній конференції Проблеми легкої і текстильної промисловості України(м. Херсон, 17– 9 жовтня 2006 р.);
- на IV Міжнародній науково-практичній конференції Динаміка наукових досліджень(м. Дніпропетровськ, 20 – 30 червня 2005 р.);
- на Міжнародній науково практичній конференції Розвиток наукових досліджень 2005” (м. Полтава, 7 – 9 листопада 2005 р.);
- на IV Всеукраїнській конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії (м. Дніпропетровськ, 29 травня – червня 2006 р.);
- на наукових семінарах кафедри фізичної та неорганічної хімії ХНТУ (2005 р., 2006 р., 2007 р., м. Херсон);
- на науковому семінарі кафедр хімії та хімічної технології Хмельницького національного університету (м. Хмельницький, 2007 р.).
Публікації з теми дисертації. Основні положення дисертаційної роботи викладено у 9 наукових публікаціях. У тому числі 6 статей в наукових фахових журналах і 3 публікації у збірниках матеріалів конференцій.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків.
Дисертація містить 144 сторінки машинописного тексту, 35 таблиць, 26 рисунків, 111 найменувань літературних джерел, додатків – 1 сторінка.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі подано загальну характеристику роботи, розкрито сутність і стан наукової проблеми та її значення. Обґрунтовано необхідність інтенсифікації процесу фарбування тканин в цілому, та прямими і кубовими барвниками зокрема. Обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, охарактеризовано об’єкт та предмет досліджень, наведено методи досліджень, сформульовано наукову новизну, викладено основні наукові результати досліджень, наведено практичну цінність роботи та результати апробації роботи у виробничих умовах.
У першому розділі дисертації представлено літературний огляд, у якому розглянуто сучасний стан теорії фарбування та проблеми інтенсифікації процесів фарбування та друкування текстильних матеріалів. Розкрито роль дифузії барвників у волокно в процесі його фарбування та фізико – хімічну сутність сучасних методів інтенсифікації процесів колорирування текстильних матеріалів, що засновані на впливі на швидкість дифузії барвника у волокно. Показано роль адсорбції барвника поверхнею волокна у сучасній схемі процесу фарбування та вплив на ефективність формування забарвлень дифузійних та сорбційних властивостей волокна. Доведено, що фундаментом інтенсифікації процесу фарбування повинна бути інтенсифікація, як стадії дифузії, так і сорбції барвника. На основі критичного огляду робіт з сучасних способів інтенсифікації процесу фарбування, в основу яких покладено вплив на швидкість дифузії барвника у волокно, визначено необхідність проведення пошуку нових шляхів інтенсифікації, які б забезпечували необхідну якість тканин, підвищення ступеня фіксації барвника на волокні, покращення екологічної ситуації.
Відмічено, що сьогодні, в рамках гетерогенного каталізу розвивається електронна теорія адсорбції, відповідно до якої сучасні уявлення про адсорбцію на поверхні твердого тіла основані на активній ролі цієї поверхні, а саме: змінюються як властивості і електронний стан самої поверхні, так і властивості адсорбованих речовин.
На поверхні волокна існує декілька типів активних центрів, які визначаються хімічною будовою волокноутворюючого полімеру, а також наявність іонів металів, що в повній мірі не видаляються з волокна в процесі підготовки тканини, завжди в ньому присутні та спроможні слугувати активними центрами електронодонорного і електроноакцепторного характеру.
Підкреслено особливості теорії, що розвивається, а саме положення про те, що у фарбуванні провідну роль відіграють кристалічні ділянки волокна. Розглядаючи фарбування як процес адсорбційний, в якому електронні процеси в кристалічних ділянках відіграють вагому роль, можливо, впливаючи саме на електронні процеси, керувати процесом адсорбції барвника.
Оскільки впливати на вказані процеси можна за допомогою окисно-відновних систем, ці системи використано у роботі для регулювання процесів надання тканинам забарвлення.
Спосіб інтенсифікації, що здійснюється за допомогою окисників і відновників, до теперішнього часу розвитку не отримав, а результати небагатьох відомих робіт в цій області носять суперечливий характер.
В цей же час спосіб цікавий тим, що не потребує спеціального обладнання, базується на використанні добавок у невисоких концентраціях (0,5 ч г/л) сполучень, які є технологічними та безпечними з точки зору їх застосування.
У другому розділі викладено загальну методику і основні методи дослідження.
Наведено характеристику об’єктів дослідження, взято до уваги нові уявлення про роль поверхні субстрату у процесах фарбування та способи впливу на її електронний стан, зокрема ці способи передбачають наявність у системах окисників та відновників. Окисно-відновні реагенти, що являються системами з рухливими електронами, впливають на електронні зони поверхні волокна і змінюють її активність відносно барвника.
Отже, при плануванні досліджень виходили з положення, що іонні процеси на поверхні волокна протікають за редокс-механізмом, що дає підстави впливати на ці процеси за допомогою добавок відновників, в якості яких у роботі використовували тіосечовину та глюкозу.
У якості субстрату використовували бавовняні тканини, найбільш поширені на опоряджувальних підприємствах – ситець та сатин. У розділі наведено характеристики цих тканин та барвників.
Наведено основні методи досліджень. Оскільки у роботі вивчали вплив добавок відновників на адсорбцію барвника волокном, основними характеристиками, які визначали у процесі роботи, були інтенсивність забарвлень та кількість барвника на волокні.
Інтенсивність забарвлень оцінювали за функцією Гуревича – Кубелки – Мунка, а саме ,
де К - коефіцієнт поглинання світла забарвленим зразком тканини;
S – коефіцієнт розсіювання світла забарвленим зразком;
R – коефіцієнт відбиття світла забарвленою тканиною;
R0 - коефіцієнт відбиття світла незабарвленим зразком;
Спектри відбиття вимірювали на спектрофотометрі Texflash. За допомогою автоматичної системи об’єктивного вимірювання кольору (АСОВК) оцінювали колористичні характеристики за системою CIELab такі, як: світлота L, чистота C, колірний тон H і загальну колірну різницю забарвлень ДE.
Кількісну оцінку барвника на волокні здійснювали за аналітичними способами. Для цього аналізували вміст барвника в фарбувальній ванні до і після фарбування. З цією метою використовували фотометр фотоелектричний КФК – . Визначення кубового барвника здійснювали шляхом розчинення забарвлених зразків тканин в розчинах сульфатної кислоти (метод Соколова) з подальшим вимірюванням оптичної густини розчинів.
Оцінювання кількості кубового барвника на волокні за допомогою вимірювання інтенсивності забарвлення не придатне внаслідок того, що кубові барвники здатні до кристалізації, що впливає на зміну колірних характеристик у процесах мильно–содових обробок та окиснення.
Навпаки, оцінка кількості кубового барвника за методом Соколова відрізнялась значною точністю: похибка досліду не перевищувала 2-х відсотків. Метод вилучення кубового барвника розчинами піридину також забезпечив високу точність дослідів: похибка складала 2,5 відсотки.
Якість підготовки тканин під фарбування оцінювали за критичною поверхневою енергію (КПЕ), для чого готували ряд водно-етанольних розчинів, визначали їх поверхневий натяг, після чого використовували у якості стандартних зразків для оцінки КПЕ за методом Зисмана.
Вимірювання окисно-відновного потенціалу (ОВП) розчинів тіосечовини та ронгаліту С у присутності тіосечовини за різних температур здійснювали на мілівольтметрі рН – .
Стійкість забарвлень до фізико-механічних дій оцінювали за методиками, що передбачені державними стандартами.
Похибку дослідів визначали через середнє квадратичне відхилення.
У третьому розділі представлено результати експериментальних досліджень. Розділ складається з трьох підрозділів, у яких послідовно викладено:
- результати порівняльної оцінки якості підготовки тканин до фарбування;
- дослідження впливу тіосечовини на адсорбцію прямих барвників бавовняною тканиною;
- дослідження впливу глюкози і тіосечовини на адсорбцію прямих барвників тканинами, на поверхню яких було попередньо нанесено іони металів;
- рекомендації щодо розробки технології фарбування бавовняних тканин прямим чорним 2С, яка забезпечує підвищення адсорбції барвника з фарбувальної ванни, збільшення стійкості забарвлень до фізико-механічних дій, зниження невиробничих витрат барвника та кількості його скидів до стічних вод;
- результати вивчення дії тіосечовини на процеси фарбування і друкування кубовими барвниками;
- результати дослідження механізму впливу тіосечовини на підвищення ступеня виходу барвника на волокно, тобто на ступінь його фіксації волокном;
- рекомендації виробництву щодо застосування тіосечовини при колорируванні тканин кубовими барвниками;
- результати розрахунків економічного і екологічного ефектів від впровадження результатів дослідження.
У підрозділі 3.1 оцінювалася якість підготовки тканин, що підлягали фарбуванню. Схеми підготовки бавовняних тканин під фарбування сьогодні зазнали значних змін. Впроваджено велику кількість способів, які здійснюються за так званою “холодною” технологією, тому тканини значно відрізняються одна від одної за показниками якості. Оскільки якість забарвлень залежить від якості підготовки, важливим було використання тканини з різними показниками. Якість тканин, підготовлених до фарбування, визначали за показником КПЕ. У процесі визначення цього показника керувалися роботами Зисмана, у яких для характеристики твердого тіла запропонована величина критичної поверхневої енергії (КПЕ).
В основу визначення КПЕ покладено метод флотації напівзанурених волокон у рідину, яка має меншу об’ємну густину ніж волокно. Сутність методики полягає у послідовній зміні водно-спиртових еталонних розчинів до того моменту, коли поверхня волокна перетворюється у таку, що змочується.
У табл. 1 наведено показники тканин, що підготовлені за виробничими способами на різних підприємствах та в лабораторних умовах.
Як видно з табл. 1, тканини відрізняються за показниками КПЕ. Визначено, що якісно підготовлена тканина має КПЕ у межах 40 ? 50 мН/м. Підготовка тканини за холодною технологією забезпечує КПЕ, що дорівнює 30 ? 31 мН/м. Оскільки використання тканин, підготовлених за холодною технологією, сьогодні поширено у виробництві, у даній роботі застосовували бавовняні субстрати, що характеризувалися як високим, так і низьким показником КПЕ.
Таблиця 1
КПЕ тканин, підготовлених під фарбування в різних умовах
№ | Зразки підприємств | Спосіб підготовки | КПЕ, мН/м
1 | ТОВ “ПО ТК – Донбас”,
м. Донецьк | безперервний лужно-пероксидний спосіб | 47,4
2 | АОВТ “Тиротекс”, м. Тирасполь | 40,2
3 | Ситцева фабрика №1, м. Москва | 40,2
4ВАТ “ХБК”, м. Херсон | холодний лужно- пероксидний спосіб | 30,7
5 | Лабораторний зразок | періодичний лужно- пероксидний спосіб | 50,7
6 | Імпортований (Ізраїль) | - | 31,2
У підрозділі 3.2 вивчено вплив добавок тіосечовини на адсорбцію прямих барвників. Властивості тіосечовини при цьому розглянуто з позиції її біполярної будови, особливістю якої є одинарний зв'язок C–S:
Сполуки окиснення тіосечовини розщеплюються з утворенням вільної сульфоксилової кислоти H2SO2, яка є постачальником іонів SO22–, S2O42– або іон-радикалів SO·. Утворення проміжних іонів, що проявляють відновну активність, має місце у кислому та лужному середовищах, тому до фарбувальних розчинів додавали соду.
Бавовняні тканини фарбували прямими барвниками за періодичним способом у присутності тіосечовини.
На рис. 1 представлено криві залежності адсорбції барвника прямого червоного 2С від концентрації тіосечовини.
Рис.1. Вплив концентрації тіосечовини на сорбцію бавовняною тканиною прямого червоного 2С
Як видно з рис.1, добавки тіосечовини впливають на адсорбцію барвника, причому мають місце періодичні коливання величини адсорбції в залежності від концентрації тіосечовини.
Аналогічні криві одержано для інших марок прямих барвників. Коливання величини адсорбції у присутності окисників та відновників спостерігали інші дослідники при вивченні їх впливу на сорбцію кислотних, активних та дисперсних барвників.
Найбільші зміни в адсорбції барвника у межах концентрацій тіосечовини, що досліджувалась, досягаються при концентрації 3За цієї концентрації тіосечовини визначили, як добавка змінює адсорбцію наступних прямих барвників ( табл. 2).
Таблиця 2
Вплив тіосечовини на зміну сорбції прямих фарбників
Прямий барвник | Адсорбція за 60 хв., г/кг | Зміна сорбції барвника, %
без тіосечовини | з 3 % тіосечовини
Червоний 2С2,10 | 2,42 | +15 | Рожевий 2С | 2,31 | 2,59 | +12 | Чорний 2С | 2,60 | 2,67 | +3 | Фіолетовий С3,30 | 3,50 | +6 | Яскраво-оранжевий | 3,60 | 3,76 | +4 | Ясно-червоний | 3,82 | 3,86 | +1 | Оранжевий
стійкий | 1,24 | 1,19 | 4 | Зелений | 3,32 | 3,15 | 5 | Коричневий світлостійкий 2КХ | 2,44 | 1,94 | 20 | Синій світлостійкий | 3,14 | 2,37 | 25 |
З табл. 2 видно, що тіосечовина впливає на адсорбцію барвників по різному. Сорбція прямого червоного 2С підвищується на 15сорбція коричневого 2КХ зменшується на 20 До третьої групи входять барвники, на сорбцію яких тіосечовина майже не впливає. Отже дані табл. свідчать про залежність дії тіосечовини від хімічної будови барвника. Зміни у сорбції можуть бути пов’язані з дією тіосечовини на поверхню волокна у відповідності з основними положеннями електронної теорії фарбування, або її дією на барвник.
Вивчення стану прямого червоного 2С у розчинах у присутності тіосечовини і без неї спектрофотометричним методом показало, що спектр барвника не змінюється на відміну від прямого зеленого, на спектрі якого спостерігаються зміни у короткохвильовій частині.
Причиною впливу тіосечовини на спектр поглинання розчину барвника прямого зеленого може бути взаємодія тіосечовини з барвником.
Розгляд хімічної будови прямого зеленого дає підстави для подібного припущення. Очевидним є те, що тіосечовина утворює з цим барвником сполучення включення за схемою:
На користь наведеної схеми взаємодії тіосечовини з барвником свідчить аналіз літературних даних за результатами дослідження електронної густини тіосечовини, які показують, що пік деформаційних електронних густин у зв’язку в 2 рази більше, ніж у сечовині, що створює умови для утворення сполук включення. Є також докази асоціації сполук сірки з різними протоно-донорами, а саме, виявлено водневі зв’язки типу ОН…S, ОН…S=С, NН…S.
Утворенням комплексу між тіосечовиною і прямим зеленим можна пояснити відсутність підвищення адсорбції.
Одержані дані дозволили зробити висновок, що дія тіосечовини на адсорбцію прямих барвників залежить від будови барвника.
Вивчено вплив КПЕ волокна на сорбцію барвників у присутності тіосечовини, а також на колористичні характеристики зразків. Одержані результати показали, що адсорбція прямого червоного 2С збільшилася на 15незалежно від значення КПЕ. Не змінилися при цьому колористичні характеристики та відносна фарбувальна сила (табл. 3).
Таблиця 3
Зміна колірних характеристик зразків тканин з різною КПЕ, пофарбованих прямим червоним 2С з добавкою тіосечовини (3 %)
Критична поверхнева енергія зразка, мН/м | Зміна колірних характеристик | Відносна фарбувальна сила, % | dE | dL | dC | dH | 34 | 0,59 | - 0,55 | - 0,03 | - 0,07 | 109,4 | 52 | 0,56 | - 0,53 | - 0,06 | - 0,07 | 109,1 |
Добавки глюкози викликають стійку тенденцію до зниження сорбції прямого оранжевого стійкого. Навпаки, сорбція прямого червоного 2С збільшується, хоча ефективність дії цього слабкого відновника нижча у порівнянні з тіосечовиною (табл. 4).
Таблиця 4
Вплив концентрації глюкози в фарбувальній ванні
на сорбцію прямих барвників
Барвник | Сорбція (г/кг) у присутності глюкози (%) | Зміна сорбції (%) у присутності глюкози (%) | 0 | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 0.5 | 1.0 | 1,5 | Оранжевий стійкий1,42 | 1,34 | 1,29 | 1,27 | 5,6 | 9, 0 | 10,5 | Червоний
2С | 2,40 | 2,56 | 2,46 | 2,57 | +6,7 | +2,5 | +7,1 |
Таким чином показано, що дія добавок слабких відновників у фарбувальних ваннах при фарбуванні прямими барвниками неоднакова: сорбція може як збільшуватися, так і зменшуватися. Отже, спосіб можна рекомендувати лише для окремих марок барвників.
В цьому розділі також показано різну дію тіосечовини на початку та в кінці процесу фарбування, а також вплив температури на дію тіосечовини.
У підрозділі викладено результати вивчення дії тіосечовини та глюкози на процес адсорбції прямих барвників у присутності іонів металу, що нанесені на поверхню тканини перед її фарбуванням.
Рис. 2. Спектри поглинання розчинів прямого чорного 2С для зразків, оброблених 15вим гелем алюмосилікату:
1 – до фарбування;
2 – після фарбування без обробки алюмосилікатами і без добавок;
3 – після фарбування зразків без добавок;
4 – після фарбування зразків у присутності глюкози (3 %).
Як видно з рис. 2, добавка 1 г/л глюкози у фарбувальну ванну, де фарбувалися зразки бавовняної тканини, попередньо обробленої алюмосилікатами, сприяє підвищенню вибирання барвника, про що свідчить більш високий ступінь виснаження фарбувальної ванни у процесі фарбування (крива 4, рис. 2).
Розрахунки сорбції барвника тканиною шляхом вилучення його розчинниками з волокна підтвердили вплив глюкози (табл. 5).
Таблиця 5
Вплив відновників на сорбцію прямого чорного 2С бавовняних субстратів, оброблених розчинами алюмосилікатів за різними методиками
Методи обробки
зразків алюмосилікатами | Сорбція барвника, г/кгбез добавок | в присутності 3 % тіосечовини в присутності 3 % глюкози | Обробка 30 хв.
15 %-вим гелем, промивання, сушіння12,03 | 12,41 | 16,17 | Обробка 30 хв. суспензією алюмосилікату, промивання, сушіння13,07 | 12,78 | 16,46 | Обробка 30 хв. розчином алюмосилікату,
без промивання, сушіння12,93 | 12,52 | 16,32 |
Як видно з табл. 5, добавки глюкози підвищують сорбцію з 12,03 г/кг до 16,17 г/кг, тобто сорбція підвищується на 34Одержані результати свідчать на користь електронної теорії фарбування: іони металу, що попередньо нанесені на тканину, виконують роль активних центрів, але ці активні центри ”працюють” лише у присутності глюкози. У присутності відновника атоми металу зазнають окисно-відновних змін, які збільшують адсорбцію барвника.
Однак, при збільшенні сорбції барвника тканиною відносна фарбувальна сила забарвлень, що вимірювалась спектрофотометричним методом, зменшилася (табл. ) зі 100до 74,63
Очевидно, що під дією іонів металів мають місце зміни структури та характеру шару барвника, які зменшують інтенсивність забарвлень. При подібних змінах у положенні молекул барвника повинна зрости стійкість забарвлень, що дійсно має місце. Швидкість десорбції барвника з поверхні тканин, що попередньо оброблялись алюмосилікатами, значно нижча, що свідчить про більшу стійкість забарвлень.
Таблиця 6
Вплив тіосечовини і глюкози на колірні характеристики
бавовняних тканин
ЗразокСорб-ція,
г/кг | Відносна фарбуваль-на сила, % | Підви-щення сорбції, % | Зміна колірних
характеристик забарвлень |
dE | dL | dC | dH | оцінка кольору зразкаНеоброблений і пофарбований за відсутності
добавок | 11,2 | 100 | - | - | - | - | - | - | Оброблений алюмосилікатами і пофарбований за відсутності
добавок | 12,03 | 90,88 | + 7,1 | 2,02 | 1,03 | 1,65 | 0,55 | світліший,
чистіший,
синішийОброблений алюмосилікатами і пофарбований у присутності тіосечовини
3 % | 12,41 | 103,20 | +10,7 | 0,72 | -0,35 | 0,49 | 0,40 | темніший,
чистіший,
синішийОброблений алюмосилікатами і пофарбований у присутності глюкози
3 % | 16,17 | 74,63 | +44,4 | 4,79 | 4,47 | 1,71 | 0,33 | світліший,
чистіший,
синіший
Схематично процес опорядження бавовняної тканини із застосуванням алюмосилікатів можна представити наступним чином:
підготовка за скороченою схемою
v
промивання
v
обробка розчином алюмосилікату
v
промивання
v
фарбування у присутності добавки відновника
v
промивання
v
сушіння.
Така схема фарбування бавовняної тканини прямим чорним 2С забезпечує не тільки високу якість забарвлення, а й підвищує екологічну чистоту технології, оскільки невиробничі втрати цього барвника знижуються на 44(вибирання барвника підвищується з 45 % до 89
У підрозділі 3.3 вивчали дію добавок тіосечовини на процеси фарбування і друкування кубовими барвниками. Вплив тіосечовини на кількість кубового барвника на волокні наведено у табл. 7. Як видно з таблиці, тіосечовина значним чином впливає на кількість барвника на волокні.
Таблиця 7
Вплив тіосечовини на зміну ступеня фіксації кубових барвників
при фарбуванні за двофазним суспензійним способом
Кубовий барвник | Підвищення ступеня фіксації,
визначено при використанні піридину | визначено за методом Соколова
Яскраво-зелений СД | 11,6 | 10,9
Яскраво-зелений ЖД | 21,9 | 20,7
Синій ОД | 21,4 | 21,5
Оскільки кубові барвники мають велике значення у друкуванні, зокрема це барвники похідні індиго та тіоіндиго, вивчали також дію тіосечовини на підвищення ступеня фіксації волокном саме цих барвників при друкуванні за різними способами. В табл. 8 наведено одержані дані.
Таблиця 8
Вплив тіосечовини (1 г/кг) на ступінь фіксації кубових барвників при друкуванні
Назва барвникаСтупінь фіксації без використання тіосечовини, | Ступінь фіксації з використанням тіосечовини, %Збільшення ступеня фіксації, % | Ронгалітно– поташний спосібОранжевий П61,5 | 82,6 | 21,1 | Яскраво-фіолетовий КП | 77,4 | 85,5 | 8,1 | Яскраво-зелений ЖП89,5 | 98,0 | 8,5 | Яскраво-зелений СП62,0 | 79,7 | 17,7 | Тіоіндиго чорний П74,5 | 89,0 | 14,5 | Броміндиго П67,5 | 87,6 | 20,1 | Тіоіндиго рожевий СП | 57,9 | 65,5 | 7,6 | Двофазний спосіб | Тіоіндиго червоно-коричневий ЖП56,0 | 94,2 | 38,2 | Тіоіндиго рожевий СП | 58,7 | 76,8 | 18,1 | Яскраво-зелений СП | 63,0 | 85,6 | 22,6 | Яскраво-зелений ЖП | 72,0 | 90 | 22 | Яскраво-фіолетовий КП | 77 | 96,6 | 19,6 |
Для багатьох марок барвників ступінь фіксації їх волокном у присутності тіосечовини підвищується до 90 –
Застосування тіосечовини дозволяє знизити температуру теплової обробки тканин і скоротити її час, що видно з рис. 3, а також знизити втрати барвника у середньому на 20 відсотків.
Рис. . Вплив тіосечовини на фіксацію кубового яскраво-зеленого С:
1 – без тіосечовини;
2 – з тіосечовиною;
3 - з тіосечовиною, при зменшенні барвника на 15 відсотків.
Вплив тіосечовини пов’язали з її дією на швидкість окисно-відновних процесів у системах кубовий барвник – ронгаліт С – волокно. Очевидно, що тіосечовина, як постачальник електронів впливає на перебіг усіх реакцій, пов’язаних
з їх перенесенням. Проведені дослідження з оцінки ОВП ронгаліту С за різних температур, в присутності тіосечовини та без неї, показали, що тіосечовина сприяє прискоренню розвитку ОВП розчинів (рис. 4).
Підвищення температури до 70 0С забезпечує збільшення ОВП з (–739) мВ до (–860) мВ, при цьому скорочується час, який необхідний для розвитку ОВП: без тіосечовини він складає 11 хв., у її присутності –хв. Саме це дало підстави для скорочення часу теплової обробки тканини, необхідної для фіксації барвника на волокні.
Підвищення швидкості розвитку максимального ОВП у системі сприяє підвищенню швидкості реакції відновлення кубового барвника та його фіксації на волокні.
Рис.4. Вплив концентрації тіосечовини на ОВП ронгаліту С при температурі 70 0С:
1 - г/л; 2 – ,5 г/л; 3 – г/л; 4 – г/л; 5 – г/л.
На основі проведених досліджень розроблено технологічні рекомендації виробництву з інтенсифікації технологій фарбування та друкування кубовими барвниками шляхом добавлення тіосечовини у фарбувальні розчини.
Наведено технологічні схеми та режими фарбування і друкування за різними способами, при цьому визначено операцію, на якій треба додавати тіосечовину.
В табл. 9 наведено схему фарбування кубовими барвниками за двофазним способом.
Таблиця 9
Схема фарбування кубовими барвниками бавовняної тканини
двофазним способом
Назва операціїТиповий спосіб | Запропонований спосіб Просочення тканини суспензією барвника
(склад, г/л) при температурі 40 – 45 0С | кубовий барвник – 30
диспергатор НФ – 2
змочувач - 1 | кубовий барвник – 24
диспергатор НФ – 2
змочувач – 1
тіосечовина - 1 | Віджим, % | 80 | 80 | Сушіння тканини, 0С80 ч | 80 ч | Просочення лужним розчином відновника
(склад, г/л) | натрій гідроксид
(100 %-вий) 26
натрій гідросульфіт – 50
натрій хлорид – 25 | натрій гідроксид
(100 %-вий) 20
натрій гідросульфіт – 40
натрій хлорид – 25 | Запарювання | 125 – 1280С, 60 с | 125 – 1280С, 40 с |
Заключні операції проводять за типовими режимами.
При фарбуванні без проміжної сушки температура у запарній камері знижується до 102 – 0С, а час теплової обробки скорочується з 90 с до 60 с.
У роботі виконано розрахунки економічного та екологічного ефектів. Показано, що скорочення витрат на барвник зменшить собівартість опорядження тканин у межах 16,9 ? ,2 грн. на 1000 м при друкуванні тканини і до 86,4 грн. при її фарбуванні (для тканин масою 200 г/м пог.).
Скиди барвників у стічні води будуть скорочені від 2 до 13 кг за добу лише при розрахунку на одиницю обладнання.
ВИСНОВКИ
1. Інтенсифіковано процеси колорирування бавовняних текстильних матеріалів прямими та кубовими барвниками слабкими відновниками. Встановлено вибіркову дію тіосечовини при фарбуванні прямими барвниками, яка залежить від того, які властивості у більшій мірі проявляє тіосечовина у фарбувальній системі – відновну активність чи здатність до утворення сполук включення, що залежить від умов її використання та хімічної будови барвника. Показано високу ефективність добавок тіосечовини у процесі фарбування кубовими барвниками незалежно від марки барвника і способу його застосування.
. Показано, що рекомендації до використання добавок відновників у якості інтенсифікаторів процесу фарбування прямими барвниками можуть бути надані лише для окремих марок, зокрема відмічено інтенсифікуючу дію тіосечовини та глюкози на сорбцію наступних прямих барвників: червоного 2С, рожевого 2С, фіолетового С, яскраво-оранжевого і чорного 2С.
3. Показано, що ефективність дії слабких відновників на сорбцію прямих барвників підвищується зі збільшенням вмісту іонів металу на поверхні волокна, що свідчить на користь електронної теорії фарбування. Однак, при цьому встановлено, що підвищення вибирання барвника з ванни (прямий чорний 2С) супроводжується зниженням інтенсивності забарвлень при підвищенні його стійкості. Зроблено припущення, що іони металів сприяють більш упорядкованому і орієнтованому розташуванню молекул барвника на поверхні волокна.
4. Запропонована технологія фарбування бавовняної тканини технічно важливим у споживанні барвником прямим чорним 2С у присутності тіосечовини як інтенсифікатора, яка забезпечує підвищення якості забарвлень, зниження невиробничих витрат барвника і підвищення екологічної чистоти технології.
5. Показано можливість утворення між тіосечовиною і прямими барвниками клатратів – сполук включення, в результаті чого тіосечовина не впливає на електронний стан поверхні субстрату і, відповідно, не проявляє інтенсифікуючої дії при фарбуванні такими барвниками.
6. Показано, що добавки тіосечовини (1 г/л або 1 г/кг) забезпечують стабільне підвищення ступеня фіксації кубових барвників на волокні від 17до 25 в залежності від марки барвника і способу його застосування.
7. Запропоновано механізм інтенсифікуючого впливу тіосечовини при колорируванні кубовими барвниками, що полягає у підвищенні ОВП розчинів ронгаліту С у присутності тіосечовини, швидкості розкладу ронгаліту С та ступеня фіксації барвника.
8. Розроблено рекомендації щодо застосування тіосечовини в процесах фарбування і друкування кубовими барвниками: запропоновано склади для колорирування та скорочено терміни режимів волого-теплової обробки тканини.
9. Проведено розрахунки економічного та екологічного ефектів. Показано, що витрати на барвник за рахунок підвищення ступеня його фіксації на волокні зменшуються від 16,9 до 49,2 грн. на кожні 1000 м тканини при друкуванні і до 86,4 грн. при фарбуванні, а скиди барвника у стічні води скорочуються від 2 до 13 кг за добу при роботі одиниці обладнання.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Семенченко О.А., Чечина И.Г., Погорелая Е.В. Влияние восстановителя на процесс крашения хлопчатобумажных тканей прямыми красителями // Проблемы лёгкой и текстильной промышленности Украины. – . №1). – С. 216-218.
Особистий внесок: експериментальні дослідження та аналіз дії добавки тіосечовини на адсорбцію різних марок прямих барвників.
2. Семенченко О.А., Мищенко А.В. Исследование влияния добавок ПАВ и восстановителей на интенсивность окрасок, полученных при крашении полиэфирного волокна дисперсными красителями // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. – . №5(25). Т. . С. 189-192.
Особистий внесок: дослідження та аналіз дії добавок відновників на процеси фарбування та інтенсивність забарвлення.
3. Семенченко О.О., Чечина І.Г. Вплив умов підготовки бавовняних тканин і пряжі на критичну поверхневу енергію волокна // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. – . №2 (28). С. 98-100.
Особистий внесок: експериментальні дослідження та оцінка якості підготовки тканин до фарбування.
4. Семенченко О.А., Мищенко А.В., Погорелая Е.В. Влияние добавок тиомочевины на сорбцию прямых красителей Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – . №5/2 (23). – С. 134-137.
Особистий внесок: експериментальні дослідження та аналіз дії слабких відновників на процеси фарбування прямими барвниками, запропоновано механізм дії тіосечовини для деяких марок барвників.
5. Семенченко О.А., Мищенко А.В. Интенсификация процессов крашения и печатания кубовыми красителями добавками тиомочевины // Вісник Хмельницького національного університету. – . - №5. C. 215-219.
Особистий внесок: дослідження та аналіз дії тіосечовини на швидкість розкладу ронгаліту С та ступінь фіксації кубових барвників.
6. Семенченко О.А., Погорелая Е.В., Ефимцев В.П. Исследование влияния алюмосиликатов на процесс сорбции красителей // Проблемы лёгкой и текстильной промышленности Украины. . №1). С. – .
Особистий внесок: експериментальні дослідження дії глюкози і тіосечовини на адсорбцію прямих барвників тканинами, на поверхні яких було попередньо нанесено іони металів, запропоновано технологію фарбування бавовняної тканини барвником прямим чорним 2С у присутності тіосечовини.
7. Семенченко О.А., Чечина И.Г., Мищенко А.В. Оценка качества подготовки хлопчатобумажных тканей перед крашением // Динаміка наукових досліджень 2005: Матеріали IV Міжнародної науково-практичної конференції (20 – червня 2005 р.). – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. – С. 36 .
Особистий внесок: експериментальні дослідження та оцінка якості підготовки тканин до фарбування.
8. Семенченко О.А., Мищенко А.В. Интенсификация процесса крашения хлопчатобумажных тканей прямыми красителями // Розвиток наукових досліджень 2005: Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції (7 – листопада 2005 р.). – Полтава: Вид-во “ІнтерГрафіка”, 2005. – Т. . – С. 72 .
Особистий внесок: дослідження та аналіз дії добавок відновників на
