Влияние электроразрядной нелинейной объемной кавитации на свойства растворов кислотных красителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние электроразрядной нелинейной объемной кавитации на свойства растворов кислотных красителей

Аннотация

В работе исследовано влияние электроразрядной обработки на изменение физико-химический свойств растворов кислотных красителей и на состояние красителей в растворах. Определено оптимальное время действия электроразрядной обработки, при котором наблюдается максимальное повышение накрашиваемости шерстяного волокна.

Ключевые слова: нелинейная объемная кавитация, кислотный краситель.

Постановка проблемы

Крашение шерстяных текстильных материалов осуществляется преимущественно периодическим способом, который производится при температуре кипения на протяжении длительного времени, что приводит к повреждению кератина шерсти и, как следствие, к повышению обрывности на прядильном и ткацком оборудовании, уменьшению выхода продукции из сырья, ухудшению качества готовой ткани. В связи с этим разработка технологии крашения, связанной с уменьшением деструктирующего действия на кератин и максимальным сохранением ценных первоначальных свойств шерсти является актуальной.

Анализ последних исследований и публикаций. В условиях периодического способа обработки текстильных материалов в ваннах с низкой скоростью циркуляции красильного раствора и низкой скоростью перемещения текстильного материала в жидкости лимитирующей стадией является диффузия красителя во внешней среде, ускорить которую возможно путем изменения свойств среды, в которой происходит крашение. А поскольку крашение осуществляется в водном растворе, то можно предположить, что изменение свойств и структуры красильного раствора будет определять изменение структуры воды под влиянием внешних воздействий.

Одним из наиболее перспективных способов интенсификации процесса крашения шерстяных текстильных материалов является влияние на красильный раствор различными внешними воздействиями. Так анализ ряда работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных изучению данного вопроса, показывает, что электромагнитная и ультразвуковая активация растворов красителей дает возможность повысить сорбцию красителей шерстяным волокном на 13-16% и уменьшить время крашения на 13-14% [1-4]. Однако следует отметить, что вышеупомянутые способы интенсификации процесса крашения не нашли широкого практического применения.

Нами впервые предложено использование метода электроразрядной нелинейной объемной кавитации (ЭРНОК) для активации растворов кислотных красителей. Показано, что электроразрядная обработка красильного раствора в течении 180 с позволяет повысить сорбцию красителя волокном на 4-6%[5].

Формулировка целей исследования. В соответствии с вышеизложенным, в работе ставилась задача изучить влияние электроразрядной обработки на физико-химические свойства растворов кислотных красителей и определить ее оптимальное время, при котором возможно максимально повысить накрашиваемость шерстяного волокна.

Изложение основного материала

В настоящей работе использовали кислотные красители, характеризующиеся различным химическим строением и отличающиеся по молекулярной массе: кислотный красный 2С-азокраситель, кислотный ярко-синий антрахиноновый и кислотный зеленый, принадлежащий к трифенилметановым красителям.

Красители были предварительно очищены перекристаллизацией [6]. Концентрация красителей в исследуемых растворах составляла 0,2 г/л, что соответствует 1%-ной концентрации красителя при М=50 в периодическом крашении. Электроразрядная обработка растворов красителей осуществлялась на лабораторной установке при постоянных параметрах напряжения и частоты импульсов с варьированием длительности воздействия.

Поскольку электроразрядной обработке подвергаются растворы красителей, на данном этапе работы представляло интерес исследовать изменение их свойств для выявления механизма воздействия ЭРНОК. С этой целью были определены такие физико-химические свойства растворов красителей как рН среды, общее содержание ионов и удельная электропроводность ч с помощью комбинированного тестера Combo HI98129 („HANNA Instruments“). Точность измерения данных величин в измеряемых интервалах составило ±0,1 для pHи±0,5% для показателей общего содержания солей и удельной электропроводности ч. Результаты приведены в табл. 1.

Влияние ЭРНОК на свойства растворов кислотных красителей

Таблица 1

Анализ полученных данных, свидетельствует о том, что с увеличением длительности электроразрядной обработки возрастает содержание ионов и, как следствие, удельная электропроводность растворов ч. Данное явление наряду с повышением рН указывает на то, что с увеличением длительности электроразрядной обработки в растворах красителей происходят физико-химические превращения. Полученные сведения об изменении свойств растворов красителей под влиянием ЭРНОК хорошо согласуются с литературными данными [7-10], согласно которым во время кавитации наблюдается увеличение рН, повышение электропроводности воды и число свободных ионов и активных радикалов.

Для того, чтобы оценить влияние электроразрядной обработки на состояние красителей в растворе, были проведены спектрофотометрические исследования на электрофотоколориметре КФК-2. На рис. 1-3 приведены спектры поглощения растворов кислотных красителей до и после электроразрядной обработки. Анализ спектров поглощения исследуемых красителей в видимом спектральном диапазоне (рис.1-3) позволяет установить, что при электроразрядной обработке растворов красителей наблюдается увеличение интенсивности поглощения световых лучей (гиперхромный эффект). Отсутствие батохромных и гипсохромных сдвигов (сдвигов максимума поглощения в длинно- и коротковолновую область соответственно) на спектральных кривых исследуемых красильных растворов, а также сохранение формы спектров свидетельствует о том, что хромофорные системы красителей не меняются. Заметное повышение интенсивности поглощения наблюдается уже после 15 с электроразрядной обработки. Дальнейшее увеличение длительности обработки более 60снеприводиткзаметному повышению интенсивности поглощения. Учитывая, что интенсивность поглощения является мерой вероятности перехода молекулы красителя в возбужденное состояние при взаимодействии со световыми лучами соответствующей длины волны, следует подчеркнуть, что способность молекул красителя поглощать фотоны и переходить в возбужденное состояние выше в электроактивированных растворах, чем в необработанных.

Рис.1. Влияние длительности электроразрядной обработки на спектры поглощения растворов кислотного красного 2С

Рис.2. Влияние длительности электроразрядной обработки на спектры поглощения растворов кислотного ярко-синего антрахинонового

Повышение интенсивности максимумов спектров поглощения в совокупности с увеличением электропроводности свидетельствует об усилении дезагрегации частиц красителей в воде. Вышеуказанные изменения растворов при электроразрядной активации растворов кислотных красителей обуславливают повышение сорбции красителей на волокне. Вероятно, свободные радикалы, возникающие в результате воздействия ЭРНОК, образуют вокруг молекул красителя сольватные оболочки, блокирующие в молекулах красителей функциональные группы, способные к образованию межмолекулярных связей между их молекулами, препятствуя агрегации. Очевидно, что данное явление будет способствовать повышению диффузионной подвижности красителей в растворе.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3. Влияние длительности электроразрядной обработки на спектры поглощения растворов кислотного зелёного

Для подтверждения данного предположения определены радиусы частиц по методу Нортопа и Ансона диффузией через пористую пластинку с помощью уравнения Стокса-Эйнштейна [11]. Данное уравнение применимо только к сферическим частицам, а форма мицелл красителей, как известно, далека от сферической. Сведебергом [11] было вычислено изменение коэффициента диффузии в зависимости от различных отклонений формы частиц от сферической и определено, что такие отклонения вызывают изменение коэффициента диффузии не более чем на 10% даже в том случае, когда частицы в четыре раза больше в длину, чем в ширину. Результаты определения размеров частиц кислотных красителей в зависимости от длительности электроразрядной обработки приведены на рис. 4.

Рис.4. Влияние электроразрядной обработки на изменение радиуса частиц кислотных красителей

электроразрядный краситель кавитация шерстяной

Представленные данные подтверждают явление дезагрегации красителя в растворе под влиянием электроразрядной обработки - размеры частиц уменьшаются с увеличением длительности обработки, причем заметное уменьшение размера частиц наблюдается при длительности обработки 60с. Дальнейшее увеличение времени обработки не приводит к значительным изменениям размеров частиц, что согласуется с результатами спектрофотометрического исследования (рис.1-3).

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что электроразрядная обработка не изменяет химическую структуру красителей, способствует усилению их дезагрегации и оказывает влияние на кислотные красители независимо от их молекулярной массы и строения.

Таким образом, можно предположить, что предварительная электроразрядная активация красильных растворов приведет к увеличению количества сорбированного красителя на волокне и, как следствие, к повышению интенсивности полученных окрасок.

Чтобы подтвердить данную гипотезу, а также для определения оптимального времени воздействия ЭРНОК на красильный раствор проводили крашение необработанными и обработанными при различной длительности 1%-ными растворами кислотных красителей при температуре 600С на протяжении 60 мин. Крашению подвергали отбеленную цигайскую полутонкую шерсть 50 качества. При выборе температуры крашения исходили из тех соображений, что при 600С минимизируется влияние температуры на массообменные процессы [4,12]. В процессе крашения определяли количество сорбированного шерстяным волокном красителя и интенсивность полученных окрасок. Эффективность процесса крашения оценивалась по интенсивности окраски - коэффициенту отражения окрашенных образцов в пересчете на функцию Гуревича-Кубелки-Мунка (ГКМ), и сорбции красителя волокном. Результаты крашения представлены в табл. 2.

Влияние длительности электроразрядной обработки раствора красителя на накрашиваемость шерстяного волокна

Таблица 2

Представленные в табл. 2 данные, свидетельствуют о том, что электроразрядная обработка растворов красителей значительно улучшает накрашиваемость шерстяного волокна по сравнению с крашением необработанными растворами. Об этом свидетельствует повышение сорбции красителей, снижение коэффициента отражения и, как следствие, увеличение значений функции Гуревича-Кубелки-Мунка. Наиболее интенсивное выбирание красителей наблюдается после предварительной 60-секундной активации растворов красителей, а дальнейшее увеличение длительности обработки не существенно влияет на накрашивание волокна. Представленные данные согласуются с ранее полученными нами результатами, поэтому за оптимальное время электроразрядной обработки выбрано 60 с.

Таким образом, полученные данные показали, что в результате электроразрядной обработки растворов кислотных красителей в течении 60с уменьшаются размеры частиц красителей, увеличивается их диффузионная подвижность и проникающая способность, что позволило получить более насыщенные окраски, чем при крашении необработанными растворами.

Установленный факт, на наш взгляд, дает возможность получить заданную интенсивность окраски при пониженной температуре и за более короткое время, тем самым снизить энергозатраты на крашение.

Выводы

В результате выполненной работы установлено, что предварительная электроразрядная обработка растворов кислотных красителей независимо от их строения и молекулярной массы приводит к усилению дезагрегации частиц красителей в растворе; об этом свидетельствует увеличение общего числа ионов, возрастание электропроводности, повышение интенсивности максимумов спектров поглощения растворов кислотных красителей и уменьшение частиц красителя. Данные изменения состояния кислотных красителей после электроразрядной обработки в течении 60с обуславливают повышение сорбции красителей на 7-19%, снижение коэффициента отражения окрашенных образцов на 1,5-3,5% и, как следствие, увеличение значений функции ГКМ.

Литература

1. Донских Г.Н. Влияние электромагнитной обработки воды и водных растворов электролитов на их микроструктуру и термодинамику крашения шерсти кислотными красителями / Г.Н. Донских, С.И. Меерсон, Т.С. Новорадовская, М.В. Корчагин // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 1985.-№7.- С. 60-63.

2. Баданов К.Н. Использование воды, активированной электромагнитными полями, при крашении шерсти хромовыми красителями / К.Н. Баданов, Т.С. Новорадовская, В.И. Чеснокова, С.И. Меерсон, А.Г. Новорадовский// Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 1989.-№4.-С. 70-73.

3. Гопша Л.Н. Интенсификация процесса крашения // Текстильная промышленность. 1992.-№7.-С. 17-18.

4. Giehl A. Fдrben im Ultraschallfeld sowie aus ьberkritischem Kohlen dioxidalsalter nativen Fдrbemedium: Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften/ Giehl Andreas. - Aachen,2003.-s.117.

5. Семешко О.Я. Исследование влияния электроразрядной нелинейной объемной кавитации на процесс крашения шерсти кислотными красителями/ О.Я. Семешко, Ю.Г. Сарибекова, А.В. Ермолаева// Вісник Хмельницького національного університету. - 2011. - №1. - С. 214-217.

6. Лабораторный практикум по химической технологии волокнистых материалов: [Учеб. пособие для студентов вузов текстильной пром-сти].- М.: Легкая индустрия, 1976.- 352 с.

7. ЮткинЛ.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности/ Л.А. Юткин.- Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. - 253с.

8. Малюшевская А.П. Разработка основ ресурсосберегающей технологии глубокой переработки льноволокна с использованием электроразрядной нелинейной объемной кавитации: дис. на соискание учен. степени канд. техн. наук: 05.19.03/ А.П. Малюшевская.-Николаев, 2005. - 189с.

9. Промтов, М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества: учеб. пособие/ М.А. Промтов.- М.: Машиностроение-1,2004. - 136 с.

10. Витенько Т.Н. Механизм активирующего действия гидродинамической кавитации на воду/ Т.Н. Витенько, Я.М. Гумницкий // Химия и технология воды. - 2007. -Т.29, №5.- С. 422-432.

11. Виккерстафф Т. Физическая химия крашения; [пер. с англ. Б.Н. Мельникова; под ред. П.В. Морыганова].- М.: Гизлегпром, 1956. - 574с.

12. Тараканов М.К. Влияние состояния поверхности шерстяного волокна на его сорбционный свойства// М.К. Тараканов, И.М. Молоков // Текстильная промышленность, 1983.-№2.- С.69-71.

Размещено на Allbest.ru