Курсовая работа: Полимерные составы в обработке текстильных материалов
2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОТДЕЛКИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛИМЕРОВ
Известно, что в виду расширения ассортимента и повышения качества текстильных материалов, заключительная отделка химическим способом получила большое распространение в сфере производства одежных тканей. Такая обработка предполагает нанесение разнообразных по химической и физической природе отделочных препаратов на полотна ткани с целью улучшения их внешнего вида и получения специального грифа (умягчение, наполнение и т.д.), либо придания устойчивости к внешним воздействиям и сообщения специальных свойств (малосминаемости, малоусадочности, устойчивости к загрязнениям разного вида, антистатических, гидрофобных, гидрофильных свойств и т.д.).
Вид и характер применяемой отделки определяется ассортиментом и назначением данного вида ткани, а также природой волокна, из которого она изготовлена. Подавляющее число одежных тканей должно обладать достаточно высокой износостойкостью, малосминаемостью, малоусадочностью, поэтому соответствующая обработка необходима для целлюлозных, шерстяных и шелковых материалов. Наряду с этим, пальтовым и костюмным тканям при отделке сообщаются водоотталкивающие и грязеотталкивающие свойства. Антистатическая отделка необходима текстильным материалам, состоящим из полиэфирных, полиамидных и ацетилцеллюлозных волокон.
2.1 Основные положения теории отделки текстильных материалов с применением высокомолекулярных соединений
Ввиду того, что качественным швейным изделиям важно обладать рядом эксплуатационных качеств - быстрым восстановлением исходной формы после смятия и стабильностью линейных размеров, ткани, содержащие целлюлозные волокна подвергают малосминаемой и малоусадочной отделке. На практике эти виды отделок часто совмещают, поскольку для них используются химические препараты одних типов.
Под несминаемостью (малосминаемостью) текстильного материала подразумевают способность его к быстрому восстановлению исходной формы и расправлению складок после прекращения действия сминающей нагрузки. Обычно этот показатель характеризуется углами восстановления складки на ткани после ее смятия по основе и утку (или суммой этих углов), выраженными в градусах или процентным соотношением этих углов от полного угла восстановления. Сминаемость волокнистого материала определена упруго-эластическими свойствами волокна и тесно связана с его молекулярной и особенно надмолекулярной структурой, условно состоящей из деформируемой (аморфной), недеформируемой (кристаллической) и переходной областей, которые определяют поведение волокна при деформациях. Недеформируемыми областями являются кристаллиты (области высокоупорядоченного расположения макромолекул); в переходных областях макромолекулы прочно удерживаются в первоначальных положениях и при действии нагрузки наблюдаются смещения структурных элементов волокна, а возникающие при этом внутренние напряжения после снятия нагрузки возвращают макромолекулы в исходное положение; аморфные области обуславливают пластическую деформацию за счет внутреннего сдвига макромолекул (или образуемых ими структурных элементов) под действием внешней нагрузки. Гидратцеллюлозные волокна характеризуются значительной пластичностью, и поэтому легко подвергаются сминанию.
Увеличить долю упруго-эластической деформации можно путем введения дополнительных прочных ковалентных связей-сшивок между макромолекулами волокна, что способствует стабилизации системы. Для этих целей традиционно используются отделочные вещества на основе предконденсатов термореактивных смол [5 – 14 ]. Все отделочные вещества на основе смолы являются метилольными (т. е. содержащими -СН2 OH-группы) производными органических соединений и по своей реакционной способности могут быть разделены на две группы. К первой относятся соединения, молекулы которых легче взаимодействуют между собой (давая сшитые нерастворимые продукты), чем с макромолекулами целлюлозы. В этом случае малосминаемость обеспечивается за счет образования поверхностной пленки термопластичного полимера. Предконденсаты смол этой группы эффективны при обработке гидратцеллюлозных тканей, к ним относятся препараты на основе диметилолмочевины под названием карбамол, производных меламинформальдегида – гликазин и метазин. Ко второй группе относятся соединения, более склонные к реакциям взаимодействия с -ОН группами целлюлозы, чем друг с другом. Такие препараты, полученные на основе метилольных производных этиленмочевины (карбамол ЦЭМ), ацетилендимочевины, пропиленмочевины, триазинонов (карбазон Э и карбазон О) и алкилкарбаматов используются для малосминаемой и малоусадочной отделки хлопчатобумажных и льняных тканей. При обработке целлюлозных материалов, водные растворы с отделочными препаратами заполняют субмикроскопические поры и пустоты аморфной и, возможно, переходной областей волокна. Затем при создании определенных температурных и других условий в этих пустотах протекают химические реакции смолообразования и взаимодействия с функциональными -ОН-группами целлюлозы. Образующиеся смолы сохраняют часть свободных метилольных групп, которые взаимодействуют с гидроксильными группами целлюлозы с образованием ковалентных связей.
Эффект малоусадочности объясняется химическим взаимодействием предконденсатов с гидроксильными группами целлюлозного волокна или их физической блокировкой трехмерной пленкой образованного полимера, вследствие чего, текстильный материал теряет свойство гидрофильности, а значит и способности смачиваться. В этом случае набухание волокон ткани резко уменьшается, что препятствует увеличению последней по толщине и укорачиванию по длине. Отложившийся в субмикроскопических порах гомополимер смолы фиксирует линейные размеры текстильного материала, заданные в процессе заключительной отделки.
Из-за простоты обработки, как правило придание свойств малосминаемости хлопчатобумажным тканям осуществляется сухим способом (для вискозных тканей он единственный), т.е реакции взаимодействия происходят между молекулами предконденсата термореактивной смолы и целлюлозы в ненабухшем состоянии. В этом случае устойчивость к смятию, как правило, улучшается как в сухом, так и мокром состояниях (из-за приобретенной гидрофобности). Мокрый способ обработки применяется для получения хлопчатобумажных тканей не требующих глажения, так как малосминаемость сухой ткани не изменяется, но при увлажнении воспроизводится форма изделия, заданная в момент пропитки сшивающими агентами. Такая обработка проводится с помощью предконденсатов синтетических смол второй группы или специально разработанными соединениями (отечественные препараты: этакмон ДС, метилолакриламид, эпоксидные смолы), которые могут взаимодействовать с целлюлозой в нейтральной, слабокислой или щелочной среде.
Общая схема технологического процесса малосминаемой и малоусадочной отделки состоит из операций пропитки предконденсатом, сушки и термообработки.
Пропитка при 20-30°С с последующим отжимом 60-100% (от массы сухой ткани) отделочного раствора должна обеспечивать хорошее проникновение предконденсата смолы в глубь волокна. Более полное удаление жидкости с ткани снижает миграцию предконденсата, что в дальнейшем уменьшает поверхностное отложение смолы. Сушка осуществляется при 80-100°С до достижения влагосодержания 6-10%, необходимого для оптимального распределения молекул предконденсата на поверхности субмикроскопических пор. На стадии сушки, в момент первоначального нагрева в условиях малоинтенсивного испарения воды из волокна ускоряется диффузия молекул предконденсата с поверхности внутрь волокна. На стадии термообработки при температуре 140-160°С в течении 3-5 мин проходят реакции образования смолы и сшивки макромолекул волокна для интенсификации которой требуется применение катализаторов. С этой целью, с препаратами на основе смол первой и второй группы при сухом способе придания малосминаемости используют кислые соли металлов, протонные кислоты или комбинации органических кислот с хлоридами, нитратами или сульфатами металлов II и III групп периодической системы. Катализатор обеспечивает достижение равновесия между метилольными группами и формальдегидом, способствует вводу в реакцию необходимых количеств формальдегида, ускоряет образование связей между метилольными группами, формальдегидом и целлюлозой.
Для повышения устойчивости шерстяных изделий к смятию традиционно применяются предконденсаты в смеси со слабыми восстановителями. В процессе сушки при температуре 100°С и термообработки при 120°С под действием восстановителей происходят процессы перестройки системы поперечных связей в кератине, смолообразования и дополнительной сшивки предконденсата с кератином в присутствии низкотемпературного катализатора (буры). В результате такой обработки угол восстановлении после смятия возрастает в 1,5-2 раза. При этом снижается свойлачиваемость и усадка, возрастает устойчивость к истиранию. Кроме смолообразующих предконденсатов для придания малосминаемости и формоустойчивости шерстяным изделиям используются также готовые полимеры, например, полиуретаны или эпоксидные смолы. Для снижения свойлачиваемости тканей можно использовать их хлорирование с последующим пропитыванием водными растворами продуктов взаимодействия полиамида с эпихлоргидрином, фиксация которых на шерстяном волокне происходит в процессе сушки и термообработки. С другой стороны известно, что хлорины загрязняют сточные воды, поэтому некоторые исследователи [15,16] предлагают заменить химическую и биологическую обработку - плазменной, оказывающей стерилизующее действие и снижающей свойлачиваемость шерстяных тканей.
Традиционная заключительная отделка ткани из шелка имеет сходство с отделкой искусственных целлюлозных волокон и предполагает обработку аминоформальдегидными смолами по плюсовочно–термофиксационному способу с промежуточной сушкой (привес смолы 10%, температура термообработки 135°С, время 3 мин). Такая отделка в основном увеличивает суммарный угол восстановления в сухом состоянии. Однако, при использовании глиоксалевых смол и поликарбоновых кислот глубина цвета образцов, окрашенных кислотными и прямыми красителями, снижается.
Операции пропитки ткани предконденсатами синтетических смол часто совмещают с процессом их умягчения и придания дополнительных свойств, например, гидрофобности и грязеотталкивания. Как уже отмечалось выше, соответствующими добавками в пропиточную ванну можно снизить ослабление прочности ткани и повысить ее устойчивость к истиранию. Для этих целей в качестве самостоятельной отделки используют мягчители на основе различных высокомолекулярных соединении и ПАВ. Например, отделка силиконовыми и фторсодержащими полимерами [17] позволяет получить материалы с повышенной устойчивостью к загрязнениям и истиранию, что очень важно, для тканей из натуральных, искусственных и смешанных волокон верхнего одежного ассортимента. Ткани, обработанные препаратами, содержащими микросиликоновые эмульсии Softener8600 (ф. DOWCorning), FluftoneSWS (ф. Ароlо Сhеmical), CinsilMW (ф. Stockhausen) и др. приобретают повышенную устойчивость к многократным стиркам и химическим чисткам. В данном случае, улучшение потребительских свойств происходит за счет образования непрерывной, тонкой упругой пленки отделочного вещества, сглаживающей поверхность волокон, предохраняющей ее от истирания, попадания внутрь волокна влаги и упрочняющей окраску с сохранением пористости и воздухопроницаемости.
2.2 Проблемы, возникающие при применении предконденсатов термореактивных смол и их решение
2.2.1 Ухудшение механических свойств материалов
Широкое применение предконденсатов термореактивных смол обусловлено высоким эффектом несминаемости и малоусадочности, достигаемым после аппретирования. Однако, с увеличением количества препарата наносимого на ткань, вследствие фиксации структуры волокон и повышении ее жесткости, происходит заметное ухудшение механических свойств материалов – понижается их разрывная нагрузка и растяжимость, устойчивость к истиранию, многократному растяжению и изгибу. При нанесении 7-8 % синтетических смол от массы сухой ткани (отделка не требующая глажения) эффект несминаемости, оцениваемый по сумме углов раскрытия, составляет 220-250° против 70-100° до обработки ткани, а потери прочности на разрыв хлопчатобумажных и льняных тканей 30-40 %, при уменьшении содержания смолы на ткани до 5 % (легкое глажение) - 200-220°, а потери прочности на разрыв 20-35 %. При содержании до 4 % (прочность на разрыв 15-30 %) ткань уже не приобретает эффекта «стирай-носи», а становится только несминаемой и малоусадочной.
Устранить этот недостаток можно путем введения в отделочные композиции мягчителей на основе термопластичных полимеров, силиконов или ПАВ, что способствуют образованию с предконденсатами смол внутри волокна менее жестких и напряженных эластических структур. В результате, уменьшается жесткость обработанной ткани и улучшается рад других показателей качества: устойчивость к истиранию, разрывная прочность, добротность, наполненность тканей. В многочисленных работах [18, 19, 20] предлагается вводить в отделочный раствор этиленовые или силиконовые полимеры. Из отечественных, применяются препараты на основе полиэтиленовой эмульсии и ГКЖ-94, а из зарубежных – мягчители, разработанные фирмами ВАSF, Неnkel, DOW Соrning (8803 Softener), Ivax. Силиконы в качестве мягчителей позволяют не только снизить потери механической прочности в 2-2,5 раза, но и придать тканям эффект водо- и грязеотталкивания, усилить эффект малоусадочности и несминаемости на 25-35 градусов, приданный смолами.
Устранить механические потери прочности можно усовершенствованием процессов сушки и условий реакций смолообразования. В работах [21 – 26] предлагается использовать энергию электромагнитных колебаний высокой частоты для замены традиционных видов подвода тепла, что позволяет совместить операции сушки и термофиксации пропитанных отделочным раствором тканей, сократить продолжительность процесса до 4,5 с, повысить качественные показатели готовых тканей по углу раскрытия складки на 5%, а по снижению прочностных характеристик на 10%.
Исследованиями ряда авторов [27] было установлено, что при переходе от традиционных фиксирующих средств (горячий воздух, перегретый водяной пар) к водно-органической фактор эффективности отделки, характеризующийся как отношение изменения суммарных углов раскрытия складки к снижению разрывной нагрузки ткани увеличивается в 1,5-2 раза, что объясняеться изменением характера «сшивки» полимеров. При фиксации отделочных препаратов в среде перегретых паров азеотропа в сравнении с горячим воздухом количество образующихся поперечных связей снижается, а их длина возрастает, упругие свойства материала при этом увеличиваются.
Существенно улучшить физико-механические показатели аппретированной ткани позволяет предварительная плазменная обработка ее перед процессом малосминаемой отделки. По мнению ряда исследователей [28, 29], в некоторых случаях увеличение разрывных характеристик аппретированных тканей, подвергшихся плазменной обработке на 5-70%, по сравнению с исходными, неотделанными, объясняется более высокой адгезией волокон друг к другу.
2.2.2 Выделение формальдегида
Формальдегид – бесцветный газ с резким раздражающим запахом. Тпл =118°С, Ткип =19,2°С, хорошо растворим в воде, спиртах [30]. В природе он образуется в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения и из атмосферы усваивается живыми организмами. В промышленности формальдегид получают окислением метилового с?