Интенсифицирование процесса мерсеризации хлопчатобумажных материалов

Министерство  Образования Российской Федерации 

Ивановский  государственный химико-технологический  университет 

 

 

 Кафедра Химической технологии волокнистых материалов 

 

 

  

Реферат 

по специальности "Химическая технология и оборудование отделочного              производства"

на тему: 

"Интенсифицирование процесса мерсеризации хлопчатобумажных материалов"  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

                                                       

 

 

 

Иваново, 2010

Введение.

   Мерсеризацией называют процесс обработки целлюлозных материалов концентрированным раствором едкого натра под натяжением с их последующим промыванием  до полного удаления следов щелочи.

   Мерсеризация является одним их важнейших процессов облагораживания хлопчатобумажных тканей, в результате которого тканям сообщается шелковистый блеск, улучшается окрашиваемость, увеличивается крепость, плотность, гигроскопичность, добротность и др. Эти свойства ткань приобретает, если ее подвергнуть кратковременной обработке (в течение 35-120 сек.) концентрированным раствором едкого натра (225-300 г/л) в натянутом состоянии на холоду (при температуре 15-18 °С).

 

 

Пути  интенсификации процесса мерсеризации.

    В настоящее время основным направлением интенсификации процесса мерсеризации является повышение скорости и качества пропитки текстильного материала щелочными растворами. Быстрое и равномерное проникновение гидроксида натрия вглубь хлопковых волокон является предпосылкой его эффективного воздействия с целлюлозой и достижения за более короткое время необходимого уровня физико-химических и структурных превращений последней.

   Вопрос ускорения пропитки  приобретает первостепенное значение  в случае обработки негигроскопичных  суровых тканей. Наличие в волокнах гидрофобных примесей, экранирующих гидрофильную поверхность целлюлозы, обуславливает несмачивание текстильных материалов щелочными растворами. Это исключает участие капиллярных сил в доставке реагентов в структуру пряжи и элементарных волокон. Как известно, гидрофобизация поверхности приводит к замене капиллярного всасывания капиллярным отталкиванием. Именно эта закономерность лежит в основе способов водоотталкивающей отделки тканей.

   Интенсификация пропитки  может осуществляться путем улучшения  смачивания и повышения доступности  внутренней структуры целлюлозного  материала.

   Процесс смачивания определяется  соотношением сил когезионного взаимодействия в жидкости и адгезионного взаимодействия жидкости и полимера. Уменьшение когезионного и увеличение адгезионного взаимодействия приводит к улучшению смачивания.

   Регуляторами соотношения  этих сил могут выступать поверхностно-активные  вещества(ПАВ). Адсорбируясь и определенным образом ориентируясь в поверхностном слое раствора, ПАВ, с одной стороны, уменьшают его поверхностное натяжение, а  с  другой стороны, изменяют функциональный состав поверхностного слоя жидкости, что влияет на силу адгезии.

   Для получения эффекта  полного и практически мгновенного смачивания, высокое поверхностное натяжение щелочных растворов должно быть уменьшено вплоть до 30-31 кДж/м², то есть до значений “критического”. Это может быть достигнуто использование ПАВ высокой поверхностной активности, содержащих в водородном радикале не менее 8 атомов углерода.

    Однако, такие соединения склонны к пенообразованию, что в условиях постоянной циркуляции мерсеризованных растворов порождает трудности, как в работе мерсеризационных линий, так и при работе щелоков. Кроме того, не все из этих ПАВ поддаются биологическому расщеплению, поэтому могут возникнуть сложности и при очистке сточных вод.

   Несмотря на довольно  широкий ассортимент предлагаемых  для мерсеризации поверхностно-активных  веществ, в зарубежной и отечественной  практике нашли применение лишь  немногие. Среди них Леонил  LC (ФРГ), Мерсерол QW (Швейцария), Сульфирол-8 и сульфосид-31.

   Это анионактивные соединения на основе солей алкил- и алкиларисульфокислот. В концентрациях 1-2 г/л они снижают поверхностное натяжение щелочных растворов лишь до 60-45 кДж/ м² при сравнительно небольшом образовании пены.

   В настоящее время продолжается  поиск ПАВ, позволяющих в условиях  мерсеризации добиться более  значительного уменьшения поверхностного  натяжения. Он идет в направлении  подбора композиций анионактивных  препаратов с неионогенными, имеющими  высокую поверхностную активность, например, оксиэтилированными жирными кислотами и с соединениями, разрушающими пену.

   Наряду с линейными пытаются  использовать вещества с разветвленной  цепью, поскольку последние признаны  более активными. Так предлагаются  соли фосфорных кислот как  нормального, так и изостроения.

   Еще одним эффективным  средством интенсификации пропитки  является температура. Повышением  температуры растворов в способах  горячей мерсеризации, предварительным  прогревом ткани в способах  “Термотекс “ или сочетанием этих операций можно сократить время пропитки суровых тканей вплоть до 5-6 с. При этом степень интенсификации  пропитки возрастает с ростом температуры. К числу важных преимуществ указанных способов относится и уменьшение степени  набухания поверхностных слоев целлюлозных материалов, вследствие  чего  повышается глубина проникновения гидроксида натрия и равномерность мерсеризации.

Способы “Термотекс “   в сравнении со способами горячей мерсеризации являются более эффективными.

   При нагревании материала  до температур выше 100⁰С, из его межволоконных пространств, пор и капилляров удаляется воздух, вследствие чего, в них понижается давление и раствор быстро проникает вглубь волокна. Наиболее эффективен метод с использованием ИК-излучения , при котором происходит наиболее быстрый прогрев глубинных слоев текстильного материала и, вследствие  этого быстрое удаление воздуха и вакуумирование волокна.

   Способы “Термотекс “  являются и более экономичными, так как нагрев ткани происходит значительно быстрее и требует меньших затрат электроэнергии, чем нагрев мерсеризационных растворов до высоких температур(70-100⁰С). Так разогрев ткани средней плотности от 20 до 99,9⁰С происходит всего за 0,4 с.

   В способах горячей мерсеризации  интенсификация пропитки осуществляется  за счет улучшения смачивающих  свойств раствора. С ростом температуры  уменьшается когезионное взаимодействие в щелочном растворе, снижается его поверхностное натяжение и вызкость.

   Значительное улучшение  смачивания, большее, чем при использовании  ПАВ, достигается при температурах  выше 70⁰С. Тем не менее, рекомендуемый температурный диапазон горячей мерсеризации довольно широк от 40 до 100⁰С.

   Специфика действия температуры  заключается в том, что она  противоположным образом влияет  на процессы диффузии гидроксида натрия в волокне и его взаимодействие с целлюлозой. С ростом температуры диффузия щелочи ускоряется, а экзотермическая реакция взаимодействия ее с целлюлозой сдвигается влево, то есть в сторону образования исходных соединений.

   Для подавления гидролиза  щелочной целлюлозы необходимо  либо проводить процесс в 2 стадии с различными температурными  условиями, либо выбирать температуру,  при которой достигается определенная  сбалансированность обоих процессов.

   Выбор температуры обусловлен  технико-экономическими показателями  процесса. Значительная интенсификация  пропитки при высоких температурах  требует существенных затрат  на нагрев растворов и на  дополнительную стадию охлаждения. На практике охлаждение проводят либо орошением ткани холодной водой, либо пропусканием ее через металлические цилиндры.

   При температурах до 70⁰С “теплая” мерсеризация может осуществляться одностадийно, при постоянной температуре. Использование теплых щелочных растворов более экономично, но менее эффективно, так как интенсификация достигается лишь за счет некоторого улучшения смачивания.

  Новым направлением совершенствования  способов горячей мерсеризации  является изменение соотношения  длительности  воздействия на  ткань горячего и холодного  растворов. Стремление создать  благоприятные условия для диффузионных  процессов в волокне и недоучет  этого факта, что глубина релаксационных  процессов определяется, прежде  всего, внутрикристаллит- ным набуханием,  привели к тому, что практически вся технологическая операция в способах горячей мерсеризации проводится при высоких температурах . Кратковременное охлаждение завершает технологический процесс.

   Следуя по пути оптимизации условий для протекания процесса релаксации и структурных превращений, фирма Беннингер (Швейцария) в новом варианте мерсеризационного оборудования – машине “Дименза” предусмотрела охлаждение ткани перед стадией стабилизации ее линейных размеров. Это позволяет достичь высоких качественных показателей обрабатываемых материалов.

   Замедлить реакции гидролиза  при мерсеризации можно и за  счет снижения количества воды  в волокнистом материале. Этот  принцип успешно реализуется  в способе “сухой мерсеризации” и его разновидности – способе “Кристаллтекс”.

  Они основаны на высушивании  ткани после обработки щелочными  растворами концентрации 100-300 г/л. Удаление растворителя приводит к концентрированию щелочного раствора внутри волокна и к подавлению реакции гидролиза. Создатели способа “Кристаллтекс” высказывают предположение, что в этом случае происходит кристаллизация гидроксида натрия на ткани, то есть меняется состояние щелочи волокнистом материале.

   Высушенная ткань при хранении не деструктируется, после промывки отличается высокой степенью мерсеризации, хорошей накрашиваемостью.

   Недостаток воды в способе  “пенной” мерсеризации, впервые предложенном фирмой Коттон (США), напротив, оказывает негативное действие на процесс пропитки, затрудняя проникновение NAOH в структуру текстильного материала. Даже при двухстороннем нанесении на ткань вспененного состава нельзя получить хорошее качество ее мерсеризации.

   В настоящее время широко  распространено сочетание горячей  мерсеризации с кратковременным  5-10 минутным иди длительным 40-60 минутным  запариванием ткани в совмещенных  способах мерсеризации и отварки.  В этих условиях достигается  глубокое, равномерное проникновение  гидроксида натрия в волокно и создается возможность его быстрой и эффективной очистки от примесей.

   Совмещение мерсеризации  и отварки позволяет значительно  интенсифицировать процесс подготовки. Однако при отсутствии в этом способе стадии охлаждения высокая степень мерсеризации не достигается и сорбционная способность целлюлозы ниже, чем в способах холодной мерсеризации.

   Известными способами интенсификации  пропитки за счет повышения  доступности внутренней структуры  полимера являются понижение  давления газа в порах и  капиллярах при вакуумировании, пропаривании, просасывания щелочного раствора через ткань, а также усиление подвижности макромолекулярных цепей путем физических воздействий, например, ультразвука.

   Сравнение способов интенсификации  пропитки, основанных на обезвоздушивании  волокнистого материала, показало  значительные преимущества вакуумной  технологии. Степень улучшения пропитки  зависит от степени вакуумирования и достигает максимума при понижении давления в порах на 80-100% от атмосферного(21,4-1,4 кПа). Но и при меньшей степени вакуумирования(40%) получаемый эффект сопоставим с достигаемым в способах “Термотекс”. В процессе вакуумирования воздух на пор волокна диффундирует к его поверхности, а затем удаляется. При разрежении 0,133 Па стадия диффузии воздуха практически отсутствует, то есть наблюдается мгновенное его удаление. Однако практическая реализация вакуумной технологии сдерживается недостаточной надежностью а работе вакуумных пропиточных машин.

   В настоящее время в  промышленных условиях более  приемлем способ предварительного (5-7с) запаривания материала перед  пропиткой. Пар вытесняет из  волокна инклюдированный воздух и, конденсируясь на поверхности, создает в них разрежение. Использование камер предварительного запаривания (МПЗ)  дает возможность повысить производительность мерсеризованных линий в 1,3-1,5 раз.

   Поиск эффективных способов, позволяющих без создания сложного  оборудования значительно ускорить процесс мерсеризации и повысить его эффективность, является и сейчас актуальной задачей. Решение ее может идти в направлении выбора реагентов, активирующих как стадию пропитки целлюлозных материалов щелочными растворами, так и стадию их химического взаимодействия.

   Поверхностная активность  спиртов, а также известная  способность их положительно  воздействовать на сорбцию целлюлозой  гидроксида натрия и на выход щелочной целлюлозы, делает целесообразным использование спиртов в качестве интенсификаторов процесса мерсеризации.

 

 

 

Интенсификация  процесса мерсеризации с использованием алифатический спиртов.

   Проведенные исследования  выявили, что использование алифатических  спиртов в концентрациях от 3 до 30г/л позволяет значительно в 2-12 раз ускорить пропитку суровых тканей щелочными растворами и на 9-32% повысить сорбцию гидроксида натрия.

   Это открывает перспективу  совершенствования процесса мерсеризации  в двух направлениях: