Интенсификация процессов пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей ультразвуковыми полями

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Интенсификация процессов пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей ультразвуковыми полями

05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Шибашов А.В.

Иваново - 2010

Работа выполнена на кафедре химической технологии волокнистых материалов Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

доктор химических наук, ст.н.с.

Телегин Феликс Юрьевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, ст.н.с.

Павутницкий Вячеслав Васильевич

Пророкова Наталия Петровна

Ведущая организация:

Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина

общая характеристика работы

Актуальность темы: В условиях возрастания дефицита и удорожания энергетических и материальных ресурсов, а так же ужесточения требований к экологической чистоте производства текстильным предприятиям для получения значительного экономического эффекта необходимо внедрять инновационные технологии, позволяющие экономить сырьё, химические материалы, топливно-энергетические ресурсы, воду и ориентироваться на выпуск нового конкурентоспособного ассортимента тканей, отвечающих мировому уровню экологических, технических и эстетических требований. Изготовленные по уникальной технологии, смесовые ткани соединяют в себе отличные эксплуатационные и физико-химические свойства натуральных и синтетических волокон. Такие ткани обладают хорошей воздухопроницаемостью, формоустойчивостью, драппируемостью, обеспечивают гигроскопичность и приятные тактильные ощущения. Особенности подготовки смесовых тканей заключаются в том, что технология должна учитывать индивидуальные свойства волокон, содержание сопутствующих примесей и технологических загрязнений, а также эксплуатационное назначение. При этом необходимо выбирать такие варианты подготовки, при которых требуемый эффект достигался бы при максимальной сохранности наиболее ценных свойств индивидуальных составляющих ткани. Одним из инновационных путей решения вопроса по совершенствованию технологий подготовки современных смесовых тканей является использование ультразвуковых методов интенсификации процессов беления. Преимуществами ультразвуковых технологий являются: инициирование и ускорение протекания химических реакций, возможность сокращения времени обработки, использования нейтральных сред, снижения потребления агрессивных химических реагентов и повышения экологической чистоты технологического процесса и готовой продукции. Поэтому изучение процессов, протекающих под воздействием низкочастотных ультразвуковых волн, в пероксидных растворах и волокнообразующем полимере является весьма перспективным и актуальным с точки зрения научно-практического применения в отделочном производстве текстильной промышленности.

Цель работы заключалась в научном обосновании и создании высокоэффективной технологии пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей с использованием низкочастотных ультразвуковых волн.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научно-исследовательские задачи:

- изучение влияния ультразвуковых низкочастотных волн на пероксид водорода и его окислительную способность по отношению к текстильному материалу;

- оценка звукохимического воздействия на сопутствующие примеси и технологические загрязнения текстильного материала в процессе пероксидного беления;

- исследование влияния ультразвуковых низкочастотных волн на изменение структуры хлопкового и полиэфирного волокна смесовой ткани в процессе пероксидного беления;

- выбор рационального технологического режима и аппаратурного оформления процесса ультразвукового беления тканей различного ассортимента на оборудовании текстильных отделочных предприятий.

Общая характеристика объектов и методов исследования. Объектами исследования являлись хлопчатобумажные и хлопкополиэфирные ткани с различным процентным вложением хлопкового и полиэфирного волокна. Экспериментальные исследования осуществляли в лабораторных условиях на ультразвуковом оборудовании УЗВ-28/200 МП и ИЛ-100-6/6 с последующей проверкой результатов в производстве.

Исследования проводились с привлечением современных методов физико-химического анализа: потенциометрического, микроскопического, вискозиметрического, калориметрического, спектрофотометрического, ренгенографического. Погрешность измерений при проведении экспериментов рассчитывали с использованием методов математической статистики.

Научная новизна. Впервые на основе теоретических и экспериментальных исследований установлены закономерности влияния низкочастотных ультразвуковых волн на физико-химические процессы, протекающие в гетерогенной среде с участием твердой фазы в виде волокнистого материала.

Наиболее существенные результаты, полученные в работе:

- впервые научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования низкочастотных ультразвуковых волн в качестве интенсификатора процесса пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей;

- впервые установлена оптимальная скорость разложения пероксида водорода под действием низкочастотных ультразвуковых волн в процессе беления целлюлозосодержащих тканей;

- экспериментально выявлена взаимосвязь между кавитационными явлениями и присутствием поверхностно-активных веществ в пероксидном растворе;

- исследовано влияние низкочастотных ультразвуковых волн на окислительно-восстановительный потенциал пероксида водорода и окислительную способность его по отношению к природным и синтетическим полимерам;

- впервые изучен процесс удаления сопутствующих примесей и технологических загрязнений хлопкополиэфирной ткани за счет кавитации и окислительного действия пероксида водорода в процессе беления;

- созданы научные основы для разработки технологических схем для пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей с использованием низкочастотных ультразвуковых волн. Новизна разработанной технологии подтверждена заявкой на выдачу Патента РФ №2009146504/04 (066298), приоритет от 14.12.09.

Практическая значимость. Разработаны практические рекомендации по использованию низкочастотного ультразвукового воздействия в процессе пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей на производственном оборудовании периодического и непрерывного действия, а так же дана количественная оценка предполагаемого положительного эффекта, который составляет 420 рублей на 1000 метров обрабатываемой ткани. Материалы диссертации могут быть использованы в лекционном курсе учебных дисциплин «Перспективное оборудование отделочного производства» и «Прогресс технологии» студентам вузов химико-технологического профиля.

Автор защищает:

- экспериментально установленную взаимосвязь между интенсивностью ультразвукового воздействия, температурно-временными параметрами беления и качественными показателями отбеленной хлопкополиэфирной ткани;

- установленные кинетические зависимости скорости разложения и изменения окислительно-восстановительного потенциала пероксида водорода в процессе беления с использованием низкочастотного ультразвукового воздействия;

- теоретически и экспериментально подтвержденную эффективность и целесообразность использования низкочастотных ультразвуковых волн для интенсификации процесса пероксидного беления тканей различного ассортимента;

Апробация работы. Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах разного уровня в 2006-2010 гг. (Международная конференция «Текстиль и химия - 2006: Волокна; красители; ТВВ; Оборудование; Приборы; Технологии», Москва 2006 г.; Международный научно-практический семинар «Физика волокнистых материалов: структура и свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX)», Иваново 2007-2010 гг.; Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль)», Москва 2008-2009 гг.; Международной научно-методической конференции «Достижения в области химической технологии и дизайна текстиля, синтеза и применения красителей», Санкт-Петербург 2009 г. и др.

Публикации. Результаты исследований, отражающих основное содержание диссертационной работы, опубликованы в 30 печатных работах, в том числе в 6 статьях перечня, рекомендованного ВАК РФ, 23 тезисах докладов научно-технических конференций и семинаров, и в материалах заявки на получение патента РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, экспериментальной части с обсуждением результатов, выводов, списка использованной литературы (131 источник) и 2-х приложений. Научная работа содержит 127 страниц машинописного текста, 24 рис., 5 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и основные задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

1. Литературный обзор

Литературный обзор состоит из двух разделов, в которых рассмотрены вопросы, касающиеся современных теоретических представлений о механизме химического и физико-химического действия кавитации и перспектив применения ультразвуковых полей для интенсификации технологических процессов.

2. Методическая часть

Описаны характеристики объектов исследования и использованного оборудования, методы оценки эффективности беления целлюлозосодержащих материалов.

3. Экспериментальная часть и обсуждение результатов

3.1. Изучение влияния ультразвуковых низкочастотных волн на пероксидные растворы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для определения оптимальной скорости разложения пероксида водорода был проведен ряд экспериментов, в которых мощность ультразвукового излучения и длительность обработки варьировались в пределах от 1 до 5 кВт и от 0 до 40 минут соответственно. Раствор пероксида водорода концентрацией 6 г/л (100%) подвергали ультразвуковой обработке на приборе ИЛ-100-6/6.

На рисунке 1 приведена зависимость содержания пероксида водорода в растворе от времени воздействия при различных мощностях ультразвука. Из данных эксперимента видно, что при мощности ультразвука 1-2 кВт процесс разложения пероксида водорода протекает медленно, через 40 минут обработки содержание пероксида водорода в растворе составляет 26%. При увеличении мощности до 5 кВт скорость разложения резко возрастает и после 5 минут обработки содержание пероксида водорода в растворе находится на уровне 10%. Оптимальная скорость разложения пероксида водорода достигается при мощности ультразвука 3 кВт. Характер кривых показывает, что после 20 минут ультразвуковой обработки содержание пероксида водорода в растворе составляет 15%, а в дальнейшем изменяется незначительно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Снижение содержания пероксида водорода в растворе при ультразвуковом воздействии обусловлено активирующим действием низкочастотных ультразвуковых колебаний. Предполагаем, что данный эффект связан с тем, что при нейтрализации анионов, адсорбированных на поверхности пузырька, вследствие индуцированной поляризации молекул газа внутри кавитационного пузырька образуется избыточное количество электронов. Вследствие быстрого сжатия, плотность заряда достигает значительного градиента на поверхности раздела фаз, и микрозаряды в пузырьке возникают по направлению к жидкой фазе. Пространственное разделение зарядов вблизи поверхности раздела фаз рассматривается как образование двойного электрического (ионного) слоя (рис. 2).

Молекулы воды, обладают дипольным моментом 610^-30 Клм, в поверхностном молекулярном слое ориентируются отрицательным полюсом в сторону газовой фазы. За счет этого в двойном электрическом слое из ориентированных диполей создается разность потенциалов около 260 мВ. Вследствие возникновения разности потенциалов при наличии в жидкости электролитов, способных диссоциировать с образованием ионов обоих знаков (), вокруг дипольной обкладки происходит адсорбция преиму-щественно отрицательных ионов (), локальная концентрация которых на поверхности пузырька увеличена по сравнению с их концентрацией в объеме жидкости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для выявления температуры раствора, при которой кавитация оказывает максимальный эффект, озвучивали раствор глицерина с концентрацией 0,68М в 0,1Н растворе едкого натра. Озвучивание осуществляли на установке УЗВ-28/200 МП с интенсивностью ультразвукового воздействия 3 кВт/см² в течение 10 минут, при температурах 20, 40, 60 и 80С.

На рис.3 представлены ультрафиолетовые спектры растворов глицерина, озвученных при различных температурах. Анализируя спектральные кривые, можно сделать вывод, что максимальное окисление глицерина в поле ультразвуковых волн происходит при температуре 60С. Это свидетельствует о наиболее эффективном протекании кавитационных процессов при данной температуре.

Процесс беления проходит в гетерогенной среде с участием твердой фазы в виде волокнистого материала, при этом волокнистый материал как объект осуществления процесса беления сам по себе представляет сложную по структуре и свойствам систему и является не просто средой для протекания химических процессов, а выполняет функции активного партнера, участвующего в реакции с веществами, используемыми в белении.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Было изучено влияние волокнистого материала на изменение содержания пероксида водорода при различных pH растворов в условиях ультразвуковой обработки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рисунке 4 представлены данные по изменению содержания пероксида водорода при рН=3, 7, 9, 12 в присутствии суровой хлопкополиэфирной ткани. Оценка результатов показывает, что волокнистый материал на характер разложения пероксида водорода в процессе беления при воздействии ультразвука не влияет. Наибольшая степень разложения пероксида водорода в присутствии хлопкополиэфирной ткани наблюдается в щелочной среде рН=12 (кривая 4). За 1 минуту обработки ультразвуком содержание пероксида водорода снижается до 18-20 %, а за 20 минут достигает 2-4 %. Такое снижение содержания пероксида водорода в растворе связано с высокой активацией его как гидроксидом натрия, так и ультразвуком. В кислой среде при рН=3 происходит уменьшение степени разложения пероксида водорода, что объясняется стабилизирующим влиянием кислоты. В нейтральной среде (рН=7) снижение содержания пероксида водорода в растворе происходит плавно за счет активации его ультразвуком и в конце обработки составляет 8-10%.

Положительный эффект увеличения капиллярности от введения ПАВ в озвучиваемый раствор, по всей вероятности, связан с изменением кавитационных процессов. Из литературных источников известно, что микронеоднородности в виде газовых микропузырьков в жидкости присутствуют всегда. Они попадают в жидкость из воздуха при понижении давления или повышения температуры, десорбции газов из пор твердых примесей. Условие механического равновесия газового микропузырька радиусом (r) в жидкости можно представить в виде: (1), где p₀ -давление газа в пузырьке; p_н- давление насыщенного пара; p_г- гидростатическое давление. При малых размерах микропузырька раздавливающее его давление, обусловленное действием сил поверхностного натяжения, велико, поэтому весьма малые микропузырьки растворяются в жидкости. Присутствие небольших количеств поверхностно-активных веществ заметно понижает величину поверхностного натяжения (у) и слагаемое 2 у/r в формуле (1), что способствует повышению устойчивости газовых микропузырьковых зародышей и, как следствие, увеличению их количества в жидкости. Уже при небольших интенсивностях ультразвука в жидкости образуются многочисленные пульсирующие пузырьки, что приводит к возникновению кавитационных процессов во всём объеме раствора.

Для экспериментального подтверждения теоретических предпосылок были сняты спектры поглощения исходного раствора красителя метиленового голубого и раствора красителя после озвучивания в присутствии ПАВ и без него. Концентрация красителя в растворе составляла 0,5 г/л, для снятия спектров поглощения раствора красителя метиленового голубого был использован спектрофотометр СФ-26. Обработку ультразвуком растворов красителя проводили в течение 10 минут с интенсивностью 3 кВт/см². Характер полученных спектральных кривых (рисунок 5) показывает, что введение ПАВ в раствор красителя приводит к снижению интенсивности поглощаемого излучения по всей длине спектра, что свидетельствует о более быстром разрушении хромофорной системы красителя под действием кавитации.

Таблица 1

Влияние вида стабилизатора на скорость разложения пероксида водорода и качественные показатели ткани в процессе ультразвукового беления

Стабилизатор	Концен-трация, г/л	Константа скорости разложения H2O2, k, с-1	Капил-лярность, мм/час	Степень белизны, %	Прочность на разрыв, Н
					основа	уток
Силикат натрия	10	9,110-5	98	78,9	690	485
Стабилизатор ПБ	5	9,310-5	110	80,2	678	475
Престоген ЕБ	6	9,210-5	114	80,3	678	473
Стабилизатор АС	6	9,910-5	118	81,8	684	476



Размещено на http://www.allbest.ru/

В таблице 1 представлены данные по скорости разложения пероксида водорода, степени белизны и прочности ткани в зависимости от вида стабилизатора. Из приведенных в таблице данных видно, что использованные стабилизаторы обладают приблизительно одинаковым стабилизирующим действием на пероксид водорода в процессе беления с ультразвуковым воздействием. Константа скорости разложения пероксида водорода для всех приведенных стабилизаторов лежит в интервале 9,110^-5 - 9,910^-5 с^-1. Однако при использовании силиката натрия значение белизны и капиллярности ниже, чем при использовании органических стабилизаторов, так как в состав использованных органических стабилиза-торов входят поверхностно-активные вещества анионактивной и неионогенной природы.

Влияние концентрации стабили-затора АС на степень белизны и прочностные показатели хлопко-полиэфирной ткани иллюстрирует рисунок 6. Из полученных зависимостей видно, что максимальная степень белизны хлопкополиэфирной ткани в процессе ультразвукового беления достигается при концентрации стабилизатора АС - 6 г/л, при этом потеря прочности волокна составляет всего 2,5-3,0 %.

Для обеспечения необходимых показателей белизны и капиллярности хлопкополиэфирной ткани необходимо определить оптимальную концентрацию пероксида водорода в процессе беления с использованием ультразвука.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как видно из рисунка 7, повышение концентрации пероксида водорода до 9 г/л приводит к значительному увеличению капиллярности и степени белизны хлопкополиэфирной ткани до 116 мм и 81,7% соответственно. Однако дальнейшее увеличение концентрации пероксида водорода до 12-15 г/л нецелесообразно ввиду незначительного прироста капиллярности и степени белизны.

Обобщая полученные эксперимен-тальные результаты, можно сделать вывод, что для достижения высоких качественных показателей хлопкополиэфирной ткани процесс беления с использованием низкочастотных ультразвуковых волн следует проводить в нейтральной среде при интенсивности ультразвуковых колебаний 3 кВт/см² в течение 20 минут раствором с температурой 60С, содержащим, г/л: пероксид водорода - 9, стабилизатор АС- 6.

3.2. Влияние ультразвуковых колебаний на окислительно-восстановительный потенциал пероксида водорода и окислительную способность его по отношению к текстильному материалу

Для получения результатов по изучению изменения ОВП систем: вода; пероксид водорода-вода проведен эксперимент, в котором исследуемые системы подверглись воздействию ультразвука с мощностью 3 кВт. Для сравнения оценено изменение ОВП системы пероксид водорода - вода при термостатировании. Потенциометрические измерения проводились на приборе рН-милливольтметр рН-340 с использованием платинового электрод в паре с хлорсеребряным электродом сравнения в течение 30 минут с интервалом измерения - 5 мин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Представленные на рис. 8 результаты показывают, что при воздействии ультразвука на воду ОВП возрастает от 0 до 0,3 В. Результаты эксперимента подтверждают литературные данные о звукохимической реакции образования пероксида водорода в воде. На начальном этапе термостатирования системы пероксид водорода - вода ОВП увеличивается с 0 до 0,04 В, в дальнейшем ОВП изменяется незначительно, что объясняется термической устойчивостью пероксида водорода. При ультразвуковом воздействии на систему пероксид водорода - вода ОВП возрастает с 0 до 1,78 В, что свидетельствует об интенсивном протекании окислительно-восстановительных процессов с участием пероксида водорода и непосредственно воды, которая также претерпевает ряд химических превращений. ультразвуковой беление текстильный оборудование

Полученные результаты изменения ОВП воды под действием ультразвука вероятнее всего, можно объяснить следующим: ультразвуковые волны выбивают из молекулы воды электрон, что приводит к образованию ионизованной частицы воды: , распадающейся по схеме: . Оторванный электрон проходит расстояние, определяемое энергией, с которой он выбит из молекулы. На своем пути электрон может быть присоединен к молекуле воды или к иону водорода, в результате чего образуется атомарный водород: , или ;

Вследствие этого велика вероятность взаимодействия между свободными радикалами и между отдельными атомами, что приводит к образованию дополнительных пергидроксил-ионов или даже пероксида водорода. Так возможны реакции: или . При воздействии ультразвуковых волн на водные растворы ионизация молекул воды осуществляется в газовой фазе, т.е. в кавитационных полостях. Продолжительность жизни кавитационного пузырька составляет меньше половины периода применяемой ультразвуковой частоты (). В свою очередь, время существования образующихся радикалов равно с. Последнее позволяет считать, что с аннигиляцией пузырька в водную среду переходят активные в химическом отношении гидроксильные радикалы и водородные атомы, что значительно повышает ОВП пероксидного раствора и увеличивает его окислительную способность по отношению к природному полимеру в процессе беления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из представленной динамики изменения ОВП пероксидного раствора (Рис. 9) наглядно видно, что обработка его ультразвуком повышает окислительную способность пероксида водорода и значительно инициирует процесс перехода ОВП в положительную область. Так если для термостатированых пероксидных растворов скачок, обуславливающий переход ОВП в положительную область, соответствует 13 минутам (кривая 2), то при обработке ультразвуком -5 минутам (кривая 1). Из рисунка видно, что зависимость изменения ОВП пероксидного раствора при ультразвуковом воздействии носит экстремальный характер. Максимальное значение ОВП пероксидного раствора, обработанного ультразвуком, достигает за 15 мин значения +0,3 В, а при термостатировании максимальное значение ОВП пероксидного раствора имеет значение +0,16 В и достигается за 20-25 мин. Повышение ОВП пероксидного раствора, а следовательно, увеличение окислительной способности его по отношению к волокнообразующему полимеру, можно объяснить появлением дополнительных пергидроксил-ионов в растворе.

3.3. Оценка звукохимического воздействия на сопутствующие и нанесенные примеси текстильного материала в процессе беления.

В работе экспериментально оценена эффективность влияния низкочастотных ультразвуковых колебаний на нанесенные в процессе ткачества примеси. В качестве объекта исследования использованы суровая хлопчатобумажная ткань и шлихта различного состава, используемая для шлихтования пряжи. Основными критериями оценки эффективности ультразвукового воздействия на шлихтующие препараты были выбраны следующие: капиллярность, степень удаления шлихты, кинематическая вязкость шлихты.

Исследования проводили на шлихтующих препаратах приготовленных на основе крахмала, карбоксиметилцеллюлозы и поливинилового спирта. Шлихтующие препараты подвергались воздействию ультразвуковых волн с частотой 22 кГц и мощностью 3 кВт в течение 20 минут на приборе ИЛ-100-6/6

На рис. 10 представлены результаты ультразвукового воздействия на кинематическую вязкость природных и синтетических полимеров. Из литературных источников известно, что ультразвуковые волны не только вызывают разжижение коллоидного раствора, но и разрывают коллоидные агрегаты на более мелкие частицы, что сопровождается изменением гидратационных процессов. Влияние ультразвуковых волн на структуру геля сопровождается нарушением макромолекулярной сетки, что, в свою очередь, отражается на скорости диффузии веществ, проникающих в исследуемые гели. Полученные результаты подтверждают теоретические предпосылки. Кинематическая вязкость исследуемой крахмальной шлихты и шлихты из карбоксиметилцеллюлозы резко снижается уже за 1 минуту ультразвуковой обработки с 200 до 60 и со 110 до 50 м²/с соответственно. Для шлихты из поливинилового спирта требуется более продолжительная ультразвуковая обработка и в течение 10 минут вязкость снижается в 2 раза. Этот результат можно объяснить тем, что разрушаются главным образом макромолекулы с наиболее длинными цепями.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для выявления влияния ультразвукового воздействия на степень удаления шлихтующего препарата, включаю-щего крахмал, поливиниловый спирт, олеиновую и уксусную кислоту, хлопко-полиэфирную ткань отбеливали раствором, содержащим, г/л: пероксид водорода - 9, стабилизатор АС - 6. Опыт проводился на установке УЗВ-28/200 МП с интенсивностью ультразвукового воздействия 3 кВт/см² в течение 20 минут. Для сравнения приведены результаты беления хлопко-полиэфирной ткани классическим жидкостным способом с содержанием в растворе, г/л: пероксида водорода - 10, едкого натра - 2,5, силиката натрия - 10, смачиватель - 1

Представленные на рисунке 11 данные показывают, что при ультразвуковом способе беления удаление шлихтующего препарата происходит практически полностью за 20 минут, при классическом способе те же результаты достигаются за 60 минут. Эффективное удаление шлихты с текстильного материала является результатом окислительного действия пероксида водорода и эффекта деполимеризации в ультразвуковом поле, который является суперпозицией двух процессов: действия механических напряжений при деформации макромолекул в процессе обтекания участка макромолекулы потоком растворителя и действия кавитации с обусловленными ею ударными волнами, кумулятивными струями, микропотоками.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рисунке 12 представлены УФ-спектры диоксановых экстрактов лигнина хлопковой шелухи, отбеленной в различных условиях. Спектральная кривая лигнина исходной хлопковой шелухи (кривая 1) имеет характерный максимум в области 280 нм и плато в области 320-340 нм. После пероксидного беления в условиях термостатирования (кривая 2) на спектре лигнина хлопковой шелухи наблюдается снижение интенсивности поглощенного ультрафиолетового излучения по всей длине спектра, а характеристическое плато при 320-340 нм практически исчезает, что свидетельствует об окислении карбониль-ных и фенольных гидроксильных групп лигнина пероксидом водорода. При белении с использованием ультразвуковой обработки (кривая 3) происходит не только значительное снижение интенсивности поглощенного излучения, но и небольшой батохромный сдвиг максимума на спектре в длинноволновую область. По всей видимости, молекулярные изменения в лигнине хлопковой шелухи, отбеленной с использованием ультразвука, характеризу-ются разрушением не только хромофорной системы, но и ароматических структур. Совместное действие ультразвука и пероксидного раствора приводит к деструкции разветвленной полимерной молекулы лигнина на более мелкие фрагменты, что способствует их последующему легкому удалению с поверхности материала акустическими течениями.

Таблица 2

Влияние способа беления на изменение содержания сопутствующих примесей хлопковой составляющей хлопкополиэфирной ткани

Способ беления	Время беления, мин	Содержание воскообраз-ных веществ, %	Содержание пектино-вых веществ, %	Капиллярность, мм/час
Суровая ткань	-	0,73	0,98	0,3
Двухстадийный	60/60	0,32	0,031	120
Одностадийный	60	0,59	0,061	91
Одностадийный с ультразвуком	20	0,37	0,035	118

С целью выяснения эффективности ультразвукового воздействия на хлопкополиэфирную ткань сопоставлены результаты влияния различных способов беления на изменение содержания воскообразных и пектиновых веществ в хлопковой составляющей ткани. Из представленных в таблице 2 данных наглядно видно, что после одностадийного беления с использованием ультразвука содержание воскообразных и пектиновых веществ соответствует уровню содержания этих веществ в хлопковом волокне после двухстадийного способа беления. Применение ультразвука позволяет значительно повысить капиллярность хлопкополиэфирной ткани в процессе одностадийного способа беления при сокращении времени обработки в 3 раза.

3.4. Определение степени повреждения хлопкового и полиэфирного волокна смесовой ткани в процессе ультразвукового беления

В данном разделе была оценена степень повреждения хлопкового и полиэфирного волокна смесовой ткани в процессе ультразвукового беления. Беление хлопкополиэфирной ткани осуществляли жидкостным способом в растворе, содержащим, г/л: пероксид водорода - 9, стабилизатор АС - 6. Беление ткани проводили на установке УЗВ-28/200 МП с интенсивностью ультразвукового воздействия 3 кВт/см² в течение 20 минут. Для сравнения приведены результаты беления хлопкополиэфирной ткани классическим жидкостным способом в течение 60 минут раствором, содержащим, г/л: пероксида водорода - 10, едкого натра - 2,5, силиката натрия - 10, смачиватель - 1.

Химические превращения целлюлозы хлопка определяли по содержанию функциональных (альдегидных и карбоксильных) групп и окрашиванию волокна красителем метиленовым голубым, степень деструкции волокна - по изменению степени полимеризации целлюлозы хлопка и структуры поверхности волокна текстильного материала. В таблице 3 приведены технические результаты беления хлопкополиэфирной ткани различными способами.

Таблица 3

Технические результаты беления хлопкополиэфирной ткани различными способами

Наименование показателя	Ультразвуковой способ беления	Классический способ беления (с запариванием)
Степень белизны, %	82,5	81,5
Капиллярность, мм	119	115
Содержание карбоксильных групп, %	0,012	0,021
Содержание альдегидных групп, %	0,046	0,064
Степень полимеризации хлопкового волокна	2217	2016
Интенсивность окраски образца (K/S)	0,709	1,243

Из таблицы видно, что значения степени белизны и капиллярности хлопкополиэфирной ткани, отбеленной с использованием ультразвукового воздействия не уступает соответствующим значениям для ткани, подготовленной по классическому способу. Полученные данные по изменению содержания функциональных групп показали, что суммарное содержание альдегидных и карбоксильных групп целлюлозы в процессе ультразвукового беления ниже этих показателей, чем при классическом способе беления. Одним из доказательств сохранности целлюлозы хлопкового волокна является его способность окрашиваться метиленовым голубым красителем. Хлопковая составляющая хлопкополиэфирной ткани, отбеленной с использованием ультразвука, окрашена менее интенсивно, чем у образца, отбеленного по классическому способу. Это свидетельствует о том, что целлюлоза волокна не претерпевает значительных химических превращений, что подтверждается данными по степени полимеризации (СП) целлюлозы хлопкового волокна.

3.5. Аппаратурное оформление процесса ультразвукового беления тканей различного ассортимента на оборудовании текстильных отделочных предприятий

Данный раздел работы посвящён поиску конструкционных решений для осуществления процесса ультразвукового беления тканей различного ассортимента. Погружные ультразвуковые излучатели, предназначенные для различных технологических процессов, могут быть легко установлены на действующем на производстве оборудовании. Ультразвуковой излучатель крепится к дну или стенкам ультразвуковой ванны, где на него подается переменное напряжение соответствующей частоты от ультразвукового генератора.

Производственное оборудование для реализации способа ультразвукового беления определяется, главным образом, смесовым составом тканей. На оборудовании периодического действия целесообразно отбеливать смесовые ткани с высоким содержанием синтетической составляющей.

Схема пьзокерамического излучателя (1) и способ его монтажа на оборудовании (2)

Например, для осуществления способа ультразвукового беления смесовой ткани (33% ХВ, 67% ПЭ) возможно применение рулонно-перемоточных машин. Для трикотажных полотен и смесовых тканей с высоким содержанием хлопковой составляющей рационально применять оборудование непрерывного действия, которое обеспечивает обработку с минимальным натяжением при увеличении времени пребывания материала в белящем растворе. Этим требованиям отвечает промывная линия ЛРП-220Т, оборудованная релаксационными камерами, в которых полотно транспортируется, находясь в свободном состоянии, на сетчатой конвейерной ленте в среде раствора. Установка ультразвуковых излучателей на релаксационную камеру позволяет использовать её для осуществления процесса ультразвукового беления.

Выводы

1. Установлено, что пероксидное беление с использованием низкочастотных ультразвуковых волн позволяет получить хлопкополиэфирные ткани высокого качества при сокращении продолжительности процесса в 3 раза в сравнении с традиционными одностадийными технологиями.

2. Установлены оптимальные параметры проведения процесса пероксидного беления с использованием ультразвуковых низкочастотных волн, которые обеспечивают технические показатели хлопкополиэфирных тканей, соответствующие нормам ГОСТ: время воздействия 15-20 минут, мощность ультразвука 3 кВт, нейтральная среда, температура 60С.

3. Впервые исследовано изменение окислительно-восстановительного потенциала в процессе пероксидного беления хлопкополиэфирных тканей с использованием ультразвукового воздействия. Установлено, что ультразвуковая обработка пероксидных растворов повышает его окислительную способность по отношению к природным и синтетическим полимерам.

4. На основе полученных экспериментальных данных проведено сравнение стабилизирующего действия препаратов различной химической природы по отношению к пероксиду водорода при ультразвуковом белении. Выявлена взаимосвязь между кавитационными явлениями и присутствием поверхностно-активных веществ в пероксидном растворе.

5. Исследована роль кавитации в интенсификации процессов удаления сопутствующих примесей и технологических загрязнений хлопкополиэфирной ткани при ультразвуковом белении. Спектрофотометрическим и гравиметрическим методами определено, что после ультразвукового беления содержание пектиновых и воскообразных веществ в хлопковом волокне хлопкополиэфирной ткани составляет 0,035% и 0,37% соответственно.

6. Методами химического анализа, вискозиметрии, рентгенографического анализа и электронной микроскопии выявлено, что в процессе беления целлюлозосодержащих материалов в ультразвуковом поле целлюлоза не претерпевает значительных химических превращений, а волокна приобретают поверхностные микродефекты, которые облегчают проникновение пероксидных растворов во внутренние области волокна, но не приводят к деструкции полимера.

7. Проведены полупроизводственные испытания ультразвуковой технологии беления целлюлозосодержащих тканей в условиях ЗАО ПК «Нордтекс» филиал в г. Иваново «Самойловский текстиль». Экономический эффект беления тканей различного ассортимента по ультразвуковой технологии составляет 420 рублей на 1000 метров обрабатываемого материала (по ценам 2010 г.).

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Шибашов, А.В. Одностадийный способ пероксидного беления текстильных материалов /А.В. Шибашов, О.С. Новикова, С.Ю. Шибашова // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2004. - № 5. - С.50-52.

2. Шибашов, А.В. Изучение синергетического действия компонентов композиционного интенсификатора пероксидного беления / А.В. Шибашов, О.С. Новикова, С.Ю. Шибашова // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2005. - № 2. - С.51-53.

3. Шибашов, А.В. Изучение влияния ультразвукового поля на процесс пероксидного беления хлопкового волокна / А.В. Шибашов, С.Ю. Шибашова // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2007. - № 3. - С.70-71.

4. Шибашов, А.В. Изучение влияния ультразвукового поля на окислительно-восстановительный потенциал пероксида водорода / А.В. Шибашов, С.Ю. Шибашова // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2007. - т. 50, в.12. - С. 80-82.

5. Шибашов, А.В. Изучение влияния ультразвука на процесс удаления нецеллюлозных примесей хлопкового волокна / А.В. Шибашов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2008. - №6. - С. 76-78.

6. Шибашов, А.В. Интенсификация удаления сопутствующих примесей хлопкового волокна в процессе беления с ультразвуком / А.В. Шибашов, Ф.Ю. Телегин / Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2009. - № 3. - С. 48-51

7. Способ беления целлюлозосодержащих текстильных материалов / А.В. Шибашов, Ф.Ю. Телегин, С.Ю. Шибашова // Заявка на патент №2009146504/04 (066298) Приоритет от 14.12.09.

8. Шибашов, А.В. Изучение влияния ультразвука на пероксидное беление хлопкового волокна / А.В. Шибашов, С.Ю. Шибашова // Тезисы докладов Международной научной конференции «Современные волокнистые материалы, перспективы получения и использования». - Санкт-Петербург, 2007. - С. 112.

9. Шибашов, А.В. Изучение влияния ультразвука на степень разложения пероксида водорода в процессе беления / А.В. Шибашов, С.Ю. Шибашова // Материалы Х Международного научно - практической семинара «Физика волокнистых материалов: структура и свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX - 2007)». - Иваново, 2007. - С.111-113.

10. Шибашов, А.В. Изучение влияния ультразвуковой обработки на подготовку хлопчатобумажных тканей / А.В. Шибашов // Тезисы докладов Студенческой научной конференции «Фундаментальные науки - специалисту нового века (Дни науки - 2007)». - Иваново, 2007. - С.113.

11. Шибашов, А.В. Изучение влияния звукохимических процессов на подготовку и беление хлопчатобумажных тканей / А.В. Шибашов // Тезисы докладов VI Всероссийской студенческой научной конференции «Текстиль XXI века». - Москва, 2007. - С.69.

12. Шибашов, А.В. Изучение влияния ультразвуковой обработки на удаление нецеллюлозных примесей хлопкового волокна в процессе беления / А.В. Шибашов, Б.Н. Мельников // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс - 2008)». - Иваново, 2008. - С.120.

13. Шибашов, А.В. Изучение влияния ультразвука на окислительную способность пероксида водорода к природным полимерам / А.В. Шибашов // Материалы Международного научно-практичного семинара «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоёмкие технологии и материалы (SMARTEX - 2008)». - Иваново, 2008. - С.116.

14. Шибашов, А.В. Изучение влияния ультразвука на удаление сопутствующих примесей хлопкового волокна / А.В. Шибашов // Тезисы докладов научно-технической конференции «Дни науки - 2008». - Санкт-Петербург, 2008. - С.98.

15. Шибашов, А.В. Сокращенные технологии беления текстильных материалов с использованием ультразвука / А.В. Шибашов // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль - 2008)». - Москва, 2008. - С.185.

16. Шибашов, А.В. Новые экологические технологии пероксидного беления хлопкового волокна / А.В. Шибашов // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и развитие промышленности региона (Лен - 2008)». - Кострома, 2008. - С.127.

17. Шибашов, А.В. Ультразвуковая технология беления текстильных материалов / А.В. Шибашов, Ф.Ю. Телегин // Тезисы докладов III Международной научно-технической конференции «Достижения текстильной химии - в производство (Текстильная химия - 2008)». - Иваново, 2008. - С.147.

18. Шибашов, А.В. Изучение изменения гигроскопических свойств природного полимера под действием ультразвукового низкочастотного поля / А.В. Шибашов, Ф.Ю. Телегин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов». - Санкт-Петербург, 2008. - С.62.

19. Шибашов А.В. Кинетика разложения пероксида водорода в условиях обработки ультразвуком в процессе беления ткани. / А.В. Шибашов // Материалы ХII международной научно-технической конференции «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX-2009)». - Иваново, 2009. - С.90.

20. Шибашов А.В. Изменение окислительно-восстановительного потенциала пероксида водорода под действием ультразвука / А.В. Шибашов, С.Ю. Шибашова // Материалы XVII Международной конференции по химической термодинамике в России «RCCT- 2009». - Казань, 2009 - С. 98.

21. Шибашов А.В. Звукохимическая модификация природных полимеров./ А.В. Шибашов, С.Ю. Шибашова // Материалы IV Всероссийской научной конференции «Физикохимия процессов переработки полимеров». - Иваново, 2009. - С. 156.

22. Шибашов А.В. Оценка влияния ультразвука на состояние природного полимера в процессе пероксидного беления / А.В. Шибашов, Ф.Ю. Телегин // Материалы Международной научно-методической конференции «Достижения в области химической технологии и дизайна текстиля, синтеза и применения красителей». - Санкт-Петербург, 2009. - С.99.

23. Шибашов А.В. Изменение окислительно-восстановительного потенциала пероксида водорода в озвученном ультразвуком растворе / А.В. Шибашов // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль -2009)». - Москва, 2009 - С. 220.

24. Шибашов, А.В. Влияние ультразвука на гигроскопические свойства волокнообразующих полимеров. / А.В. Шибашов // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения (техтекстиль-2010)». - Димитровград, 2010. - С.310.

25. Шибашов, А.В. Ультразвуковая технология беления текстильных материалов / А.В. Шибашов, С.Ю. Шибашова // Материалы ХIII международной научно-технической конференции «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX-2010)». - Иваново, 2010. - С.150.

Размещено на Allbest.ru