Інтенсифікація процесів опорядження текстильних матеріалів у магнітному полі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет технологій та дизайну

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.18.19 - технологія текстильних матеріалів, швейних і трикотажних виробів

Інтенсифікація процесів опорядження текстильних матеріалів у магнітному полі

Данилевич Наталія Станіславівна

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Панасюк Ігор Васильович, Київський національний університет технологій та дизайну, проректор з науково-педагогічної роботи

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки Сарібеков Георгій Савич, Херсонський національний технічний університет, проректор з наукової роботи і зовнішніх зв'язків

кандидат технічних наук, доцент Кущевський Микола Олександрович, Хмельницький національний університет, завідувач кафедри технології та конструювання швейних виробів

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Т.О. Полька

Анотація

Данилевич Н.С. Інтенсифікація процесів опорядження текстильних матеріалів у магнітному полі. ? Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.19 ? технологія текстильних матеріалів, швейних і трикотажних виробів. ? Київський національний університет технології та дизайну, Київ, 2009.

Дисертація присвячена науковому обґрунтуванню застосування магнітного поля у технологічних процесах фарбування та промивки текстильних матеріалів. Проведено комплексні дослідження з визначення раціональних параметрів омагнічування води, робочих розчинів і тканин під час фарбування та промивки текстильних матеріалів. На підставі результатів дослідження вологообмінних властивостей текстильних матеріалів визначено такі показники, як повна вологоємність, гігроскопічна волога, адсорбована волога полі- і моношару, об'єм мікро- і макропор, питома поверхня, які були використані у подальших дослідженнях.

Проведені дослідження залежності концентрації відмитого барвника від напруженості магнітного поля та часу промивки.

Визначені раціональні режимні параметри омагнічування води при промивці тканин.

Для реалізації процесу промивки текстильних матеріалів при наявності магнітного поля була запропонована технологічна схема цього процесу.

Ключові слова: текстильні матеріали, рідинні процеси опорядження, магнітне поле, вологовміст, промивка.

Аннотация

Данилевич Н.С. Интенсификация отделочных процессов текстильных материалов в магнитном поле. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.19 - технология текстильных материалов, швейных и трикотажных изделий. - Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2009.

Диссертация посвящена научному обоснованию применения магнитного поля в технологических процессах крашения и промывки текстильных материалов. Проведены комплексные исследования по определению рациональных параметров омагничивания воды, рабочих растворов и текстильных материалов во время крашения и промывки. В работе использовался термогравикалориметрический метод, который позволяет определить термодинамические, тепломассобменные свойства текстильных материалов в соответствии с реальными технологическими условиями.

На основе результатов исследования влагообменных свойств текстильных материалов определены такие показатели, как полная влагоемкость, гигроскопическая влажность, адсорбированная влажность поли- и монослоя, объем микро- и макропор, удельная поверхность. Определены удельные теплоты фазовых превращений пропитывающих растворов NaCl, BaCl₂, AlCl₃, мочевины, капролактама, активных красителей текстильные материалы разного волокнистого состава при термообработке в широком диапазоне влагосодержания.

Экспериментально доказано, что в результате магнитной обработки теплота испарения растворов NaCl, BaCl₂ 10-20% из тканей увеличивается, происходит это при напряженности магнитного поля 240-400 кА/м.

Зависимость величины удельной теплоты испарения от напряженности магнитного поля имеет экстремальный или полиэкстремальный характер.

Действие магнитного поля на удельную теплоту испарения красильных растворов из текстильных материалов и массобменные характеристики последних, проявляются более резко в случае, когда проводится омагничивание всего раствора, а не отдельных его составляющих. Удельная теплота испарения растворов мочевины (100 г/л), мочевины и капролактама (50 г/л) повышается на 6-15% в зависимости от волокнистого состава текстильного материала. Наибольший эффект магнитной обработки раствора мочевины проявляется при испарении из макропор и гигроскопической влажности из микропор. Для хлопчатобумажной ткани увеличение удельной теплоты испарения раствора мочевины и капролактама в результате омагничивания приблизительно в 2 раза больше, чем для полиэфирной ткани. С увеличением силы тока намагничивания наблюдается увеличение адсорбированной влажности поли- и монослоя, при силе тока 1,5-2,0 А достигается максимум.

Наибольший эффект влияния магнитного поля проявляется в случае омагничивания всего растворов, а не самого текстильного материала.

В ИК-спектре хлопчатобумажной ткани, покрашенной прямым красителем в магнитном поле, наблюдается четкое расщепление полосы поглощения в области 2900 см^-1, что соответствует валентным колебаниям СН- связей. Наблюдается образование двух максимумов на широкой полосе колебаний ОН и NН-связей. Область расположения валентных колебаний у образцов текстильных материалов, покрашенных в магнитном поле, более интенсивна, что свидетельствует о большей локализованности связей. Это дает возможность сделать вывод, что в процессе крашения в магнитном поле диффузионные процессы протекают быстрее.

Результаты экспериментальных исследований магнитной обработки на физико-химические свойства воды и водных растворов показали возможность применения магнитного поля для промывки тканей после крашения. Проведены исследования зависимости концентрации отмытого красителя от напряженности магнитного поля и времени промывки.

Определены рациональные режимные параметры омагничивания воды при промывке вискозных материалов после крашения активными красителями: напряженность магнитного поля 110 кА/м, время промывки 19 мин. По сравнению с промывкой в воде без омагничивания количество красителя отмытого на омагниченной воде на 8,2% выше. Проверка образцов на прочность окраски, к мокрым обработкам и трению дали положительные результаты.

Для реализации процесса промывки вискозных текстильных материалов покрашенных активными красителями в присутствии магнитного поля была предложена технологическая схема этого процесса, позволяющая исключить одну промывку, и сократить общий расход воды в среднем на 17%.

Ключевые слова: текстильные материалы, жидкостные отделочные процессы, магнитное поле, влагосодержание, промывка.

Summary

Danylevych N.S. Textile materials finalizing processes intensification in magnetic fields. - Manuscript. The dissertation for an seeking Candidate of sciences degree in engineering on a specialty 05.18.19 - Technology of textile materials, sewing and knitted articles. - Kiev national university of technology and design, Kiev, 2009.

Current dissertation is aimed at finding the scientific basis of the magnetic fields usage in textile dyeing and washing technological processes. Complex study to determine optimal parameters of water, water based technological solutions and materials magnetic treatment has been carried out. Based on evaluation of the textile materials mass exchange properties research the following key data parameters were established - hygroscopic humidity, adsorbed humidity of poly- and mono- layers, full specific humidity, specific surface, and macro and micro pores volume. Those data were used in subsequent studies.

The washed out dye concentration on the magnetic field density and processing time dependency was investigated. This allowed evaluating rational parameters of the magnetic treatment of technological water used in textile materials washing.

To organize magnetic treatment in textile materials washing the improved technological line for textile processing was provided.

Key words: textile materials, liquid based finishing processes, magnetic field, specific humidity, washing.

1. Загальна характеристика роботи

промивка текстильний фарбування тканина

Актуальність теми. Сучасне виробництво матеріалів легкої промисловості потребує більш ефективного використання сировинних і енергетичних ресурсів, впровадження передових науково-обґрунтованих технологій, що дозволить створювати якісні конкурентоспроможні вироби різного призначення.

Широке використання у сучасному опоряджувальному виробництві гігротермічних процесів потребує розробки нових принципів їх інтенсифікації, створення нових технологічних режимів.

Аналіз попередніх досліджень інтенсифікації опорядження текстильних матеріалів, проведених Классеном В.І., Давідзоном М.Й. та іншими, показав перспективність використання для цього магнітного поля. Застосування магнітного поля дозволяє інтенсифікувати процеси фарбування та промивки текстильних матеріалів, зменшити споживання водних ресурсів та скоротити затрати на виробництво при стабільній якості готової продукції. Це обумовлює необхідність та актуальність досліджень фізико-хімічних основ рідинних процесів опорядження та наукового обґрунтування доцільності використання магнітної активації водних розчинів і текстильних матеріалів на етапах їх фарбування та промивки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з темою «Теоретична розробка та практична реалізація нових енергоресурсозберігаючих технологій на основі тепломасообмінних процесів легкої промисловості», номер Державної реєстрації 0103U000845, яка виконувалась у Київському національному університеті технології та дизайну (КНУТД) у 2005-2008 рр.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є інтенсифікація технологічних процесів фарбування та промивки текстильних матеріалів з застосуванням магнітної активації технологічних рідин і текстильних матеріалів.

Для досягнення даної мети було визначено і вирішено такі завдання:

обґрунтувати доцільність застосування методів магнітної активації в опоряджувальному виробництві з метою забезпечення економії енергії, ресурсів і затрат праці;

дослідити вплив резонансної дії магнітного поля на термодинамічні характеристики текстильних матеріалів;

дослідити фізико-хімічні властивості тканин, зволожених омагніченими розчинами для друкованого фарбування;

дослідити вплив напруженості магнітного поля на масообмінні процеси обробки тканин та енергію випаровування з них омагнічених розчинів;

визначити вплив магнітних коливань на взаємодію прямих барвників з текстильними матеріалами;

дослідити вплив магнітного поля на властивості текстильних матеріалів, протягнених крізь отвір електромагніта;

на підставі проведених досліджень вдосконалити технологію фарбування та промивки текстильних матеріалів зі зменшенням енерго- та ресурсоспоживання.

Об'єкт дослідження - процес фарбування та промивки текстильних матеріалів.

Предмет дослідження - інтенсифікація опорядження текстильних матеріалів під дією магнітного поля.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використовувались: фундаментальні положення технології текстильних матеріалів; сучасні (термогравікалориметричний, спектрофотометричний, ІЧ-спектроскопічний, електронної мікроскопії) та стандартні методи текстильного матеріалознавства (оцінка стійкості забарвлених волокнистих матеріалів до фізико-хімічних впливів); методи математичної статистики обробки результатів експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що вперше:

- на підставі термогравікалориметричних методів дослідження фізико-хімічних властивостей текстильних матеріалів обґрунтовано використання омагнічування розчинів і тканин в опоряджувальних процесах;

- доведено позитивний вплив резонансної дії магнітного поля на термодинамічні характеристики текстильних матеріалів при видаленні розчинів з мікропор та пор, заповнених по механізму полікапілярної адсорбції;

- виявлено значущість для процесів опорядження напруження магнітного поля та хімічної будови реагентів, у складі яких містяться аніони хлору та катіони лужних, лужноземельних і комплексоутворюючих металів;

- науково обґрунтовано вплив напруженості магнітного поля на вологовміст текстильних матеріалів різного волокнистого складу;

- встановлено, що омагнічування призводить до підвищення питомої теплоти випаровування розчинів з текстильних матеріалів при омагнічуванні;

- одержана математична модель, яка описує залежність концентрації відмитого барвника від напруженості магнітного поля та часу промивки.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- на основі аналізу досліджених властивостей технологічних розчинів та матеріалів визначені раціональні режими промивки текстильних матеріалів за наявності магнітного поля, що дозволяє: зменшити тривалість процесу промивки текстильних матеріалів, досягти економії води та електроенергії зі збереженням високої якості кінцевого продукту;

- розроблено технологічний режим промивки текстильних матеріалів вибитих активними барвниками при наявності магнітного поля;

- результати роботи впроваджені в навчальний процес кафедри техногенної безпеки КНУТД (Акт впровадження від 02.09.2008 р.);

- розроблений технологічний процес промивки текстильних матеріалів вибитих активними барвниками за наявності магнітного поля прийнято до впровадження на ВАТ Херсонському бавовняному комбінаті (Акт виробничих випробувань від 01.12.2008 р.). Очікуваний річний економічний ефект складає 11424,78 грн.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійно виконаним науковим дослідженням здобувача. Наукові ідеї, теоретичні розробки та практичні рекомендації, що містяться в роботі та виносяться на захист, одержані автором особисто. У наукових публікаціях 1-5 із співавторами роботи авторові належать основні ідеї, отримання та аналіз експериментальних даних, їх обробка, узагальнення і висновки. Тези доповідей 6-10 висвітлюють результати наукових досліджень, виконаних безпосередньо здобувачем у рамках виконання дисертаційної роботи. Підготовка до публікації усіх зазначених робіт належить здобувачеві особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались і здобули позитивну оцінку на наукових конференціях молодих вчених і студентів КНУДТ (1998, 2005, 2007 рр.), наукових семінарах кафедри техногенної безпеки та тепломассобмінних процесів, Міжнародних та Всеукраїнських наукових та науково-практичних конференціях.

Дисертаційна робота доповідалася повністю та одержала позитивну оцінку на міжкафедральному науковому семінарі КНУТД м. Київ (4 березня 2009 р.).

Публікації. Основний зміст результатів дисертаційної роботи опубліковано у 10 наукових роботах, серед яких 5 статей у фахових наукових виданнях, 5 тез доповідей на наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел. Робота містить 147 сторінок друкованого тексту, 28 таблиць, 34 рисунки, список використаних джерел складається з 141 найменування літературних джерел та 17 сторінок додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі охарактеризовано сучасний стан опоряджувального виробництва та складових цього процесу. Визначені основні напрямки інтенсифікації сорбційно-дифузійних процесів за наявності магнітної активації розчинів, що дозволяє досягти стабільних позитивних результатів фарбування при більш низькій концентрації реагентів. У вступі сформульовано актуальність теми, визначено мету, охарактеризовано об'єкт та предмет досліджень, показані наукова новизна та практичне значення роботи.

У першому розділі розглянуті сучасний стан та напрямок розвитку технологічних процесів опоряджувального виробництва. Проаналізовано сучасні дослідження структурних властивостей води та рідинних процесів обробки текстильних матеріалів. Зроблено висновок, що все більшої актуальності набувають фізико-хімічні методи активації технологічних процесів. Найбільш перспективними є дослідження, спрямовані на сполучення хімічних методів активації з розширенням застосування фізичних та фізико-хімічних впливів. Для вирішення проблем удосконалення та підвищення ефективності опоряджувального виробництва визначено науково обґрунтований напрям інтенсифікації технологічних процесів обробки тканин з застосуванням магнітного поля на міжмолекулярну взаємодію та хімічні реакції у розчинах. Інтенсифікація процесу фарбування та промивки тканин водою після магнітної обробки представляється перспективною, оскільки не вимагає додаткових хімічних матеріалів.

На основі критичного аналізу літературних даних обґрунтовано необхідність інтенсифікації та впровадження нових технологій гігротермічних процесів з використанням магнітної обробки при виробництві текстильних матеріалів. Ці передумови визначили мету і завдання дослідження, спрямовані на інтенсифікацію технологічних процесів опоряджувального виробництва.

У другому розділі обґрунтовано загальну методику, характеристику об'єкту, предмету та методів дослідження. Предметом дослідження були процеси фарбування та промивки текстильних матеріалів. Для дослідження використовували такі текстильні матеріали: бязь (артикулів 5065 та 289), вовняна костюмна тканина (артикул 23352), вовняна тканина (артикул 11174), віскозна тканина (артикул 35043), поліефірна тканина „Москвичка” (артикул 52206). В якості органічних барвників використали прямі та активні барвники та хімічні матеріали, випуск яких регламентується відповідною нормативно-технічною документацією, і які також застосовуються у текстильному виробництві: сечовина (карбамід), карбонат натрію, капролактам, хлорид натрію, хлорид барію, хлорид алюмінію, вода відповідала ГОСТ 2874-82.

Комплексні дослідження проводились із застосуванням фізико-хімічних, термодинамічних та оптичних методів дослідження текстильних матеріалів та розчинів, які використовуються у процесах їх фарбування та вибивання. Використано класичні технології текстильних матеріалів, інфрачервону та електронну спектроскопію, а також стандартні методи текстильного матеріалознавства та оцінки стійкості забарвлених волокнистих матеріалів.

В третьому розділі викладено експериментальні дослідження тепломасообмінних і оптичних властивостей текстильних матеріалів та розчинів, які пройшли процес омагнічення.

Вологообмінні та термодинамічні характеристики матеріалів були одержані за допомогою комплексного термогравікалориметричного (ТГК) методу. Крім того, у розділі застосовані методи математичного планування експерименту та математичної статистики.

При дослідженні вологообмінних властивостей текстильних матеріалів визначили такі показники, як повна вологоємність, гігроскопічна волога, адсорбована волога полі- і моношару, об'єм мікро- та макропор, питома поверхня, що були використані у подальших дослідженнях.

Результати дослідів з впливу магнітної обробки на величину питомої теплоти випаровування водних розчинів солей наведені на рис. 1-3 у вигляді кривих r (W). Аналіз даних показує, що для усіх видів досліджуваних тканин криві r (w) омагнічених водних розчинів NaCl (криві 2, 4, 6, 8) розташовані вище, від відповідних кривих розчинів, необроблених магнітним полем (криві 1, 3, 5, 7). Отже, після обробки магнітним полем величина питомої теплоти випаровування вологи розчину NaCl з тканин збільшується у всьому діапазоні вологовмісту тканин.

Вплив магнітного поля на величину питомої теплоти випаровування розчинів ВаСl₂ та АlСl₃ відрізняється від відповідного ефекту для розчину NaCl. Для омагнічених розчинів ВаСl₂ та АlСl₃ підвищення величини питомої теплоти випаровування спостерігається у разі видалення вологи з поверхні тканини, макропор й, частково, мікропор, тобто при видаленні вільної та гігроскопічно зв'язаної вологи. При видаленні адсорбованої вологи з тканин ефект збільшення величини питомої теплоти випаровування внаслідок магнітної обробки розчинів цих двох солей відсутній.

Так, у середньому найбільше збільшення питомої теплоти випаровування спостерігається при магнітній обробці водного розчину NaCl.

Величина ефекту магнітної обробки залежить як від складу водної системи, так і типу тканини. Найбільший ефект дії магнітного поля має місце для вовняної й віскозної тканин, найменший для поліефірної. Необхідно підкреслити, що у такій саме послідовності ці тканини можна розташувати щодо величин об'єму мікропор та питомої поверхні, тобто кількості зв'язаної вологи.

Для аналізу впливу магнітної обробки на масообмінні властивості тканин, зволожених водними розчинами солей, були зняті термограми сушіння тканин після зволоження розчином NaCl (15 г/л). Дані табл. 1 показують, що для досліджуваних тканин магнітна обробка підвищує кількість зв'язаної вологи у матеріалі (за виключенням віскозної тканини), тобто збільшує кількість гігроскопічної вологи у мікропорах, а також адсорбованої вологи полішару.

Таблиця 1. Масообміні властивості тканин, зволожених розчином NaCl

Найме-нування тканини	Повна воло-гоєм-ність, %	Диференційований вологовміст, %	Об'єм ·10-5,м3/кг	Питома поверхня, м2/г
		волога гігроско-пічного стану	Адсорбована волога	макропо-ри	мікропо-ри
			полішар	моношар
Бавовняна	184,0 187,0	26,3 30,1	8,6 11,7	3,2 3,3	157,7 159,6	17,7 18,4	117,8 121,4
Вовняна	138,0 144,0	25,0 29,9	7,0 10,7	4,1 5,5	113,0 114,1	18,0 19,2	150,9 202,4
Віскозна	151,0 155,0	36,7 33,9	14,3 11,9	4,2 4,4	114,3 121,1	22,4 22,0	154,6 161,9
Полі-ефірна	165,0 158,0	12,3 14,0	4,9 4,9	2,8 3,1	152,7 144,0	7,4 9,1	103,0 114,1

Примітка: чисельник -- неомагнічений, знаменик -- омагнічений розчин.

Як зазначено раніше, найбільший вплив магнітної обробки на величину питомої теплоти випаровування спостерігався при зволоженні вовняної тканини розчинами NaCl та BaCl₂. Наведені результати енергограмних досліджень у вигляді залежності питомої теплоти випаровування розчину NaCl та BaCl₂ з вовняної тканини від вологовмісту цієї тканини при різній силі струму намагнічування.

При I_M = 0 крива r(W) займає середнє положення, а питома теплота випаровування при W=const залежить від сили струму намагнічування. Залежність r(I) для двох значень вологовмісту (30 та 40 %, що відповідає гігроскопічній волозі у мікропорах). Наведені дані свідчать про поліекстремальну залежність питомої теплоти випаровування від сили струму, тобто про те, що з ростом напруженості магнітного поля величина питомої теплоти випаровування періодично змінюється: після магнітної обробки розчину можливо як зменшення, так і збільшення величини r₀ розчину. З підвищенням величини сили струму у соленоїді посилення згаданого ефекту не відбувається, але зростає період коливань питомої теплоти випаровування. Для розчинів NaCl поліекстремальна залежність r(I) теплоти випаровування від сили струму у соленоїді виявляється більш різко, ніж для розчину BaCl₂.

Ці результати можна пояснити різною природою солей. Більш висока валентність барію зумовлює, по-перше, зниження амплітуди коливань питомої теплоти випаровування (особливо для W = 40 %), тобто зниження ступеню впливу магнітного поля, а по-друге, ? збільшення приблизно у 1,5 рази періоду коливань величини питомої теплоти випаровування.

Побудовані залежності массообмінних властивостей вовняної тканини від величини сили струму I_м, де W_г - кількість гігроскопічної вологи, W_ад - кількість адсорбованої вологи (полішара), W_м.ад - кількість адсорбованої вологи у моношарі; ДW_мікр - об'єм води у мікропорах (ДW_мікр= W_г - W_ад); ДW_адс - об'єм адсорбованої вологи полішара (ДW_адс = W_ад - W_м.адс). Проте, об'єми мікропор і пор, заповнених адсорбованою вологою полішара, у тканині не змінюються внаслідок омагнічювання зволожувальної рідини (криві ДW_микр та ДW_адс на рис. 5), тому криві W_адс (I_м) та W_г (I_м) повторюють періодичність зміни кількості вологи у моношарі (W_м.адс).

Стосовно кривої W_м.ад (I_м) ? при періодичній зміні кількості вологи у моношарі величина W_м.адс у всьому досліджуваному діапазоні зміни сили струму I_м більша, ніж у випадку зволоження тканини неомагніченим розчином. Отже, застосування омагнічених розчинів NaCl для зволоження вовни або збільшує W_м.адс або взагалі не впливає на цей показник. Підвищення кількості адсорбованої вологи у моношарі тканини свідчить про те, що після омагнічування розчину солі змінюється взаємодія між молекулами води та іонами солі, з одного боку, та активними центрами макромолекул вовняних волокон, з іншого.

Підвищення кількості адсорбованої рідини у моношарі викликано кількома причинами: упорядкуванням структури мікрочастинок водного розчину, внаслідок чого збільшується їх проникання до ультрамікропор (заповнення мікропорожнин); підвищенням взаємодії між активними центрами макромолекул та іонами розчину; розривом міжмолекулярних зв'язків і додатковою деформацією структури вовняних волокон (волокно набухає), що призводить до збільшення об'єму та поверхні ультрамікропор; зменшенням порожнин між молекулами розчину тощо. Можлива одночасно дія відразу кількох чинників або одного з них як визначального.

Поліекстремальні залежності r(I_м) і W_ад(I_м) виявлено двома незалежними методами з досить великою точністю.

Періодичну зміну властивостей води та водних систем при збільшенні напруженості магнітного поля можна пояснити виникненням процесії (Лармора) електронних орбіт та поляризації електронних хмар у молекулах води. Процесія електронів у магнітному полі лінійно пов'язана з його напруженістю, тому при зміні напруженості поля, а, отже, і його частоти, можуть періодично виникати резонансні системи та змінюватись характер міжмолекулярної взаємодії. Такі процеси викликаються магнітними та електричними полями, то зміна властивостей водних систем може відбуватися під впливом не лише магнітного, а й електричного поля. При певних значеннях напруженості магнітного поля H_м утворюються відкриті (або активні) „дрібні” структури, що легко проникають у пори. При інших значеннях H_м магнітна обробка приводить до утворення „закритих” (менш активних) та більших за розміром структур. Ці закриті нейтральні утворення при сорбції вологи матеріалом можуть заповнити частину ультрамікропор матеріалу, що призведе до зменшення сорбційного об'єму. Тобто в цьому випадку, омагнічення, може виконувати функцію вирівнювача.

Більш висока валентність Ва зумовлює, по-перше, зниження амплітуди коливань питомої теплоти випаровування (особливо для W = 40 %), тобто зниження ступеня впливу магнітного поля, а по-друге, ? збільшення приблизно у 1,5 рази періоду коливань величини питомої теплоти випаровування.

Диспергуючу дію сечовини ? однієї з найбільш поширених гідротропних речовин на агрегацію барвників пояснюють її здатністю руйнувати міжмолекулярні водневі зв'язки, тобто впливати на діелектричну постійну води. Одним з ефективних шляхів підвищення ступеня фіксації барвників є введення в розчин таких добавок, які не випаровуються при сушці, в процесі фарбування та після промивки та створюють середовище, сприятливе для дифузії барвників. Ефект магнітної обробки розчину сечовини найбільш виявляється при випаровуванні вільної води з макропор й, частково, гігроскопічної вологи з мікропор.

При випаровуванні розчину сечовини з капролактамом з мікрокапілярів бавовняної та поліефірної тканин вологи гігроскопічного стану та адсорбованої вологи полішара (W ? 30-80 %) розходження у величині питомої теплоти випаровування омагнічених та неомагнічених зразків тканини досягає 20-30 %. Збільшення питомої теплоти випаровування при омагнічуванні розчинів у діапазоні вологовмісту тканини 30-80 % приводить до більш інтенсивного прогрівання тканини. Наведені графічні залежності для зразків вовняної тканини, зволожених розчином сечовини й капролактаму, омагніченим при різній силі струму намагнічування.

Для цього розчину також спостерігається певна залежність r(W) у середньому діапазоні (30-90 %) вологовмісту тканини. Крива r(I) (рис. 7б) побудована за даними рис. 7а для W = 60 %. Найбільше значення спостерігається для розчинів, омагнічених у полі з напруженістю 360-480 кА/м при силі струму 1,5-2,0 А. Оброблення магнітним полем розчину змінює характер кривих. У табл. 2 наведені масообмінні характеристики вовняної тканини, зволоженої омагніченим розчином сечовини та капролактаму при різній силі струму намагнічування.

Таблиця 2. Масообмінні характеристики вовняної тканини, зволоженої омагніченим розчином сечовини та капролактаму при різній силі струму намагнічування

Напру-женість поля, кА/м	Сила струму намагні-чування, А	Повна волого-ємність, %	Диференційований вологовміст, %	Об'єм ·10-5, м3/кг
			волога гігроскопіч-ного стану	Адсорбована волога	макропори	мікропори
				полішару	моношару
0	0	203,0	72,5	36,2	27,7	130,5	36,3
120	0,5	197,0	66,6	38,4	30,7	130,4	28,2
240	1,0	-	-	39,0	29,8	-	-
360	1,5	199,0	74,8	41,0	31,0	124,2	33,8
480	2,0	212,0	77,7	39,7	31,0	134,3	38,0
600	2,5	205,0	69,8	36,9	29,4	135,2	32,9
720	3,0	187,0	68,0	36,5	28,1	119,0	31,5

Залежності величини адсорбованої вологи полі- та моношару від сили струму намагнічування мають характер, подібний до кривої r(I). Зі збільшенням сили струму намагнічування спостерігається зростання величин адсорбованої вологи полі- та моношару, при 1,5-2,0 А досягається максимум, потім величини адсорбованої вологи полі- та моношару зменшуються до вихідних значень. Для вологоємності гігроскопічного стану така залежність виражена менш чітко. Омагнічування розчинів сечовини, сечовина та капролактаму впливає на величину питомої теплоти їх випаровування з вовняної тканини, а також на масообмінні характеристики вовняної тканини. Залежність величини питомої теплоти випаровування від напруженості магнітного поля має екстремальний або поліекстремальний характер.

Найбільший вплив на величину питомої теплоти випаровування спостерігається при напруженості магнітного поля 240-400 кА/м. Слід зазначити, що подібні результати мали місце у разі омагнічування розчинів NaCl й BaCl₂, тобто отриманий результат є загальним.

Дія магнітного поля на питому теплоту випаровування фарбувального розчину такого складу, %: сечовина ? 5, капролактам ? 5, активний барвник (яскраво червоний) ? 3 з вовняної тканини та масообмінні характеристики останньої, виявляється більш різко у тому випадку, коли проводиться омагнічування всього фарбувального розчину, а не його окремих складових. Дія процесу омагнічування на досліджувані характеристики тканин, зволожених фарбувальним розчином, як і при зволоженні тканин розчинами солей та окремих компонентів розчину при фарбуванні найбільш ефективно виявляються, по-перше, при напруженості магнітного поля 360 кА/м (I = 1,5 А), а, по-друге, при випаровуванні вологи з мікропор та адсорбованої вологи полішару.

Досліджувався вплив магнітного поля на властивості текстильних матеріалів, пропущені крізь отвір електромагніта, напруженість магнітного поля змінювалась в діапазоні від 0 до 700 кА/м, хоча діапазон зміни величини сили струму у котушці соленоїда був інший (від 0 до 10 А) при різній швидкості протягування тканин крізь отвір. Порівняльний аналіз отриманих результатів дозволив визначити вплив швидкості протягування тканин через отвір електромагніта, вплив умов просочування на масообмінні характеристики тканини та питому теплоту випаровування. Сушку зразків по періодах проводили з метою з'ясування, під час якого періоду мають місце максимальне видалення вологи з тканини. Для різної сили струму намагнічування залежності r(W) для омагнічених розчинів розташовані вище, ніж криві для неомагнічених розчинів.

При цьому на величину питомої теплоти випаровування найбільш впливає магнітне поле напруженістю понад 360 кА/м. Можна зазначити, що магнітна обробка розчину більш ефективна (за зміною питомої теплоти випаровування), ніж магнітна обробка самої тканини (при такій самій величині напруженості магнітного поля).

З аналізу масообмінних характеристик вовняної тканини, зволоженої розчином сечовини (табл. 3) і протягненої через отвір електромагніта зроблено висновок про те, що при магнітній обробці самої тканини зменшується вологовмісту полі- та моношарів тканини (особливо при I = 5,0 А або Н = 360 кА/м).

У табл. 4 наведені масообмінні характеристики вовняної тканини для різних значень напруженості магнітного поля. При цьому найбільш ефективна обробка магнітним полем напруженістю 200-360 кА/м.

Таблиця 3. Масообмінна характеристика вовняної тканини, зволоженої розчином сечовини

Напруженість магнітного поля, кА/м	Повна вологоємність, %	Диференційований вологоовміст, %	Об'єм ·10-5, м3/кг
		волога гігроскопічного стану	Адсорбована волога	макропор	мікропор
			полішар	моно шар
0	182	70,8	46,8	36,0	111,2	24,0
150	176	72,5	43,6	31,3	103,5	28,9
360	168	71,6	32,4	27,5	96,4	39,2
570	173	72,6	39,7	31,0	100,4	32,9

Таблиця 4. Масообмінна характеристика вовняної тканини, зволоженої розчином сечовини та капролактаму, при різних значеннях напруженості (струму) магнітного поля

Напруженість магнітного поля, кА/м	Повна вологоємність, %	Диференційований вологоовміст, %	О'бєм ·10-5, м3/кг
		волога гігроскопічного стану	Адсорбована волога	Макропор	Мікропор
			полішар	моношар
0	203	72,5	36,2	27,7	130,5	36,3
150	192	68,1	38,7	30,0	123,9	29,4
360	188	69,0	37,5	29,7	119,0	31,5
570	179	67,8	37,5	28,2	111,2	30,3

При такій напруженості поля на кривій намагнічування r(H) спостерігається максимум.

Магнітна обробка самої тканини приводить, по-перше, до збільшення вологовмісту полі- і моношарів, а, по-друге, знижує гігроскопічність тканини. Однак, вплив напруженості магнітного поля на ці характеристики відсутній. Ефект впливу магнітної обробки незначний, якщо омагнічувати зволожену тканину, а не розчин. При цьому ступінь впливу поля залежить від швидкості проходження тканини у зазорі електромагніта.

Для дослідження взаємодії барвника прямого синього світлостійкого з бавовняним текстильним матеріалом полотняного переплетення використали метод інфрачервоної спектроскопії. Загальним для спектру всіх пофарбованих зразків бавовняної тканини є їх збіжність зі спектром барвника. Проте, на ІЧ-спектрограмі зразків бавовняної тканини, пофарбованих омагніченим барвником, спостерігається чітке розщеплення смуги в області 2900см^-1, що відповідає валентним коливанням СН-зв'язків. Крім того, спостерігаються два слабо виявлені максимуми на широкій смузі коливання ОН та NH-зв'язків.

На підставі аналізу ІЧ-спектроскопічних досліджень можна припустити, що барвник структурується у магнітному полі ? витягується й лінійно розвертається, а при взаємодії з бавовною OH зв'язок упорядковується, тобто локалізується. В ІЧ-спектрі барвника після його попередньої обробки у магнітному полі виявлено упорядкованість зв'язків. В області 2900 см^-1 - CH, CH₂, 1700-1000 см^-1 перебувають валентні коливання ароматичних кілець, у більш низькій області розташовані деформаційні коливання ароматичних амінів та NO₂-груп характерних для барвника. Для зразків тканин, пофарбованих омагніченим барвником, смуга поглинання більше яскраво виражена порівняно з матеріалом пофарбованим без омагнічування, це дозволяє зробити висновок, що область розташування валентних коливань у зразках тканин, фарбованих із застосуванням магнітного поля більш інтенсивна.

У четвертому розділі представлено використання магнітної активації рідин у процесах фарбування та промивки текстильних матеріалів.

Комплексний аналіз властивостей матеріалів легкої промисловості показав в рідинних процесах є вологообмінні властивості, що характеризують розподіл вологи у матеріалі по формах та видах зв'язків. Ступінь гідрофільності матеріалів визначає залежність їх фізико-механічних властивостей від вологи. З урахуванням виявлених закономірностей магнітної обробки водних розчинів та специфіки технології фарбування текстильних матеріалів можна прогнозувати очікуваний результат, виявити найбільш раціональний варіант впливу магнітного поля.

На заключному етапі розробки раціональних режимів магнітної обробки води та розчинів для процесу фарбування і промивки текстильних матеріалів здійснено планування експерименту, наближеного до технологічних режимів опоряджувального виробництва. Досліджено процеси фарбування та промивки віскозних тканин, що вибиті активними барвниками. Критерієм оптимізації промивки тканин після вибивання є показник концентрації відмитого барвника, на який суттєво впливають тривалість і температура промивки. Однак, оскільки перший етап промивки здійснюється на холодній воді впливовим фактором залишається тривалість процесу (Т, хв.), другим показником обрали напруженість магнітного поля, у якому обробляли воду (Н, кА/м). Значення факторів та їх кодування наведено у табл. 5.

Таблиця 5. Рівні факторів та інтервали варіювання

Найменування рівню	Кодоване значення	Натуральне значення
	Х1	Х2	Напруженість магнітного поля Н, кА/м	Тривалість промивки Т, хв
Верхній рівень	+1	+1	160	20
Нульовий рівень	0	0	120	15
Нижній рівень	-1	-1	80	10
Інтервал варіювання	-	-	40	5

У результаті статистичного опрацювання експериментальних даних отримано рівняння регресії першого порядку:

(1)

Враховуючи адекватність одержаної лінійної моделі та значущість усіх коефіцієнтів регресії, взаємодія факторів теж значима. Перехід до планування другого порядку дає можливість одержати математичний опис області оптимуму, знайти необхідний екстремум. Для знаходження раціональних режимних параметрів здійснено ротатабельне планування другого порядку.

Після обробки результатів дослідження з використанням методів статистичного аналізу та перевірки результатів дослідів знайдено рівняння (2) регресії другого порядку впливу магнітної обробки води і тривалості промивки тканин після вибивання на концентрацію відмитого барвника:

(2)

Отримано 0,2 + 0,001T ? 0,002H = 0; 3,7 + 0,001H ? 0,2T = 0, звідси H = 109,5 кА/м, T₂ = 19,0 хв. При цих значеннях факторів С_max= 23,1 %.

Відповідно до математичної моделі (2) побудували залежності функції концентрації відмитого барвника від тривалості промивки тканини та напруженості магнітного поля.

З метою інтенсифікації процесу промивки текстильних матеріалів визначено вплив омагнічування на рідини, задіяні у промиванні текстильних матеріалів. На підставі попередніх досліджень з впливу магнітної обробки води на промивку запропоновано другу миловку замінити промивкою омагніченою гарячою (40-60 °С) водою без четвертої промивки (табл. 6).

Таблиця 6. Технологічні режими промивки текстильних матеріалів

Стадія промивки	Кількість відмитого барвника, %
	Без омагнічування	З омагнічування при напруженості магнітного поля, кА/м
		80	110	140
		Тривалість обробки, хв
		15	5	15	5	15	5
		стадія 1	стадія 2		стадія 1	стадія 2		стадія 1	стадія 2
1	13,2	21,4	21,6	10,7	19,2	18,2	8,6	16,8	16,8	6,6
2мил	33,6	27,0	28,0	36,0	32,0	32,0	32,8	31,0	31,2	30,2
3мил	2,8	2,9	2,5	4,6	3,7	3,2	3,8	3,9	3,9	4,6
4	0,9	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Разом	50,5	51,3	52,1	51,3	54,9	53,4	45,2	51,7	51,9	41,4

Максимальна кількість барвника, що відмився, на першому етапі промивки після фарбування (у холодній воді) спостерігається при застосуванні води, обробленої магнітним полем напруженістю Н=110 кА/м. Порівняно з промивкою у воді, що не пройшла омагнічування, кількість барвника, відмитого в омагніченій воді, на 8,2 % більше. Омагнічена вода, як показали попередні дослідження з просочення тканини, краще розкриває пори, тому за рахунок цього незакріпилений барвник краще вимивається. У подальшому процесі миловки кількість відмитого барвника у мильному розчині, приготованому на неомагніченій воді, на 6,6 % більше, ніж у такому ж розчині, приготованому на омагніченій воді. Це пояснюється тим, що при першій промивці неомагніченою водою на волокні незакріпленого барвника залишилось більше, ніж при першій промивці в омагніченій воді. Тому під час подальшої першої миловки (температура мильного розчину 95 °С) відбувається додаткове вимивання барвника з тканини. Друга миловка дала результати, однакові з результатами першої миловки. Загальна кількість відмитого барвника у випадку промивки омагніченою водою та розчинами з ПАР на 2,5-3,0 % вище, ніж у разі промивки водою, що не пройшла омагнічування та приготованими у ній розчинами. Це дає підставу вважати, що для відмивання незакріпленого барвника у неомагніченій воді, потрібно ще 1-2 барки.

Кількість відмитого барвника після промивки тканин в омагніченій гарячій воді така сама, як і при відмиванні мильним розчином, а загальна кількість барвника відмитого в омагнічених воді та розчинах, більша, ніж у разі промивки технічною водою. Отже, заміна другої миловки промивкою в омагніченій воді дозволяє скоротити кількість стадій промивок, а також витрату поверхнево-активних речовин.

Таким чином, дослідивши вплив омагнічення води на процес промивки текстильних матеріалів, можна констатувати таке:

1. Замість чотирьох промивок (промивка холодною водою; перша миловка; друга миловка; промивка гарячою водою) можна ввести три промивки (промивка холодною омагніченою водою; миловка; промивка гарячою омагніченою водою при температурі 40-60 °C);

2. Кількість відмитого барвника після промивки тканин в омагніченій гарячій воді така сама, як і при відмивці мильним розчином, а загальна кількість барвника, який відмився в омагнічених воді та розчинах, більша, ніж у разі промивки неомагніченою водою;

3. Омагнічена вода має здатність краще розкривати пори й змочувати волокна, що прискорює процес вимивання незакріпленого барвника з тканини.

Економічна й технологічна ефективність розробленої технології промивки текстильних матеріалів з використанням магнітного поля визначається зниженням енергоспоживання та водовикористання.

З урахуванням наведеного вище можна рекомендувати такий режим омагнічування: швидкість руху води у полі, до того як вода поступила у ванну ? 0,4-0,5 м/с, напруженість магнітного поля - 110 кА/м.

Якість фарбування визначали по стійкості фарбування до дії мила, поту, сухого та мокрого тертя за загальноприйнятими методиками. Міцність фарбування до мокрого та сухого тертя дала позитивні результати. Впровадження нового обладнання при промивці дозволяє зменшити витрату води на 17 %, що створює підстави для покращення екологічної ситуації як у виробничому приміщенні, так і в зоні розташування підприємства.

Висновки

Вирішена важлива науково-технічна задача - інтенсифікація процесів опорядження текстильних матеріалів із застосуванням методів магнітної активації рідин під час фарбування текстильних матеріалів. Це призвело до розробки технології активації рідин за наявності магнітного поля.

Доведено позитивний вплив резонансної дії магнітного поля на термодинамічні характеристики текстильних матеріалів, який виявляється при видаленні розчинів з мікропор та пор, заповнених по механізму полікапілярної адсорбції.

Виявлено значущість для процесів опорядження напруження магнітного поля та хімічної будови реагентів, у складі яких містяться аніони хлору та катіони лужних, лужноземельних і комплексоутворюючих металів.

Доведено, що питома теплота випаровування розчинів NaCl та BaCl₂ з тканин збільшується на 10-20% у всьому діапазоні вологовмісту при напруженості магнітного поля 240-400кА/м.

Визначено, що при видаленні з мікрокапілярів тканини вологи гігроскопічного стану та адсорбованої вологи полішару величина питомої теплоти випаровування омагнічених та неомагнічених розчинів NaCl й BaCl₂ з зразків тканини досягає 20-30 %. Збільшення питомої теплоти випаровування при омагнічуванні цих розчинів у діапазоні вологовмісту тканини 30%-80% приводить до більш інтенсивного прогрівання тканини.

Встановлено, що магнітна обробка вовняної тканини, зволоженої розчинами сечовини та сечовини з капролактамом, призводить до збільшення питомої теплоти випаровування розчинів на 8-16 %, а повна вологоємність тканини збільшується на - 4-11 % і залежить від волокнистого складу тканини. При цьому порівняно з магнітною обробкою тканин, обробка розчинів більш ефективна.

Одержана математична модель, яка описує залежність концентрації відмитого барвника від напруженості магнітного поля та часу промивки. Визначено раціональні параметри омагнічування води в процесі промивки тканин після фарбування (H=109,5 кА/м, T=19,0 хв.).

Удосконалено технологію опоряджувального виробництва на стадії промивки текстильних матеріалів після їх фарбування в присутності магнітного поля, що сприяє скороченню витрат води та енергоносіїв. Розроблено технологічні режими промивки текстильних матеріалів після фарбування: напруженість магнітного поля ? 110 кА/м, кількість промивок - три; другу миловку замінено промивкою омагніченою гарячою водою.

Результати роботи прийнято до впровадження на ВАТ Херсонському бавовняному комбінаті, очікуваний річний економічний ефект складає ? 11424,78 грн., а також в навчальний процес кафедри техногенної безпеки Київського національного університету технологій та дизайну.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Данилевич Н.С. Дослідження впливу магнітних полів на масообмінні властивості та питомі теплоти випаровування розчинів солей, які застосовуються при фарбуванні текстильних матеріалів / Н.С. Данилевич, Р.В. Луцик // Вісник ДАЛПУ. - 2000. - № 2. - С. 224-228.

2. Луцик Р.В. Вплив електромагнітних полів на взаємодію прямих барвників з текстильними матеріалами / Р.В. Луцик, Н.С. Данилевич, А.А. Горбачов // Вісник КНУТД. - 2004. - № 6 (20). - С. 63-66.

3. Данилевич Н.С. Вплив електромагнітного поля на теплоти випаровування водних розчинів солей, що використовуються для фарбування текстильних матеріалів / Н.С. Данилевич, Р.В. Луцик // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. - 2005. - №1 (10). - С. 161-163.

4. Данилевич Н.С. Вплив електромагнітного поля на теплоти випаровування рідинно-фазних розчинів, що використовуються для фарбування текстильних матеріалів / Н.С. Данилевич, Р.В. Луцик // Вісник КНУТД. - 2005. - №5. - С. 127-129.

5. Луцик Р.В. Застосування електромагнітної активації в оздоблювальних процесах легкої промисловості / Р.В. Луцик, Н.С. Данилевич, М.В. Мельник // Вісник КНУТД. - 2006. ? № 2(28). ? С. 53-54.

6. Влияние магнитного поля на процесс крашения текстильных материалов: збірник наукових праць молодих вчених та студентів по матеріалах конференції 23 квітня 1998р. Легка промисловість. Наукові праці молодих вчених та студентів Ч.2 - К.: Наукова думка. - 1998. - 84 с.

7. Використання електромагнітних полів в технологіях виготовлення виробів шкіряно-взуттєвої промисловості: тези ІІ Міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої 75-річчю КНУТД і кафедри технології шкіри та хутра [“Сучасні екологічно безпечні технології виробництва шкіри та хутра”], (Київ, 10-11 березня 2005р.) / М-во освіти і науки України, КНУТД. ? К.: КНУТД, 2005. ? 80 с.

8. Исследование влияния электромагнитного поля на процесс крашения текстильных материалов: сборник материалов Международной научно-технической конференции [“Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности” (Прогресс-2005)], (Россия, Иваново, 30 мая - 1 июня 2005 г.) / Федеральное агентство по образованию, ИГТА. - Иваново: ИГТА, 2005. - 360 с.

9. Вплив електромагнітного поля на процес фарбування текстильних матеріалів: тези доповідей ІV Всеукр. ювілейної наук. конф. молодих вчених та студентів, присвяченої 75-річчю КНУТД [“Наукові розробки молоді на сучасному етапі”], (Київ, 17-19 травня 2005р.) / М-во освіти і науки України, КНУТД. ? К.: КНУТД, 2005. ? 320 с.

10. Нові енергоресурсозберігаючі технології оздоблювального виробництва текстильної промисловості: тези доповідей VІ Всеукр. наук. конф. молодих вчених та студентів [“Наукові розробки молоді на сучасному етапі”], (Київ, 17-18 квітня 2007 р.) / М-во освіти і науки України, КНУТД. ? К.: КНУТД, 2007. ? 340 с.

Размещено на Allbest.ru