ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ивановская государственная текстильная академия»
Кафедра химии
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ОТДЕЛКА
ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
для студентов технологических специальностей
Иваново 2007 Методические указания разработаны для изучения дисциплины «Химическая технология текстильных материалов» студентами технологических специальностей. В них рассмотрены используемые в настоящее время способы заключительной отделки тканей из различных типов волокон. Описаны химические процессы взаимодействия ТВВ с волокном, приведены схемы оборудования для их реализации.
Составитель канд. техн. наук, доц. С.А. Никольская Научный редактор канд. хим. наук, проф. Л.А. Гарцева Редактор Т.В. Федорова Корректор Е.В. Минаева Подписано в печать 28.02.2007. Формат 1/16 60х84. Бумага писчая.
Плоская печать. Усл.печ.л. 1,86. Уч.-изд.л.1,78. Тираж 50 экз.
Заказ № Редакционно-издательский отдел Ивановской государственной текстильной академии Отдел оперативной полиграфии 153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса,
1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ВИДОВ
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЙ ОТДЕЛКИ
После технологических стадий подготовки и колорирования текстильный материал приобретает очень важные потребительские свойства – гигроскопичность, белизну, окраску, но этого недостаточно для готовых материалов. Условия жизни современного человека, создающие дефицит времени, диктуют новые требования к изделиям из текстиля – минимальный по времени уход за ними. Это значит, что на стирку и глажение должно уходить меньше времени.Следовательно, текстильные материалы должны обладать пониженной загрязняемостью, лёгкой отстирываемостью, высокой формостойкостью. К этим требованиям комфортности в зависимости от назначения изделия добавляются и специфические требования: водо- и маслоотталкивающие, огнезащитные, антистатические и др. Все эти эффекты должны быть устойчивы в условиях эксплуатации (стирка, химчистка, светопогода и т.д.).
Технология заключительной отделки появилась значительно позднее технологий подготовки и колорирования, которые были известны ещё в античные времена. Она сформировалась в ХХ веке и развивается с развитием химии, физики и физико-химии полимеров.
Благодаря новым видам заключительной отделки текстильные материалы находят новые области применения: космос, медицина, геостроительство и др.
Классификация видов заключительной отделки показана на рис.1.
Одни и те же потребительские свойства в зависимости от природы волокон текстильных материалов достигаются специфическими технологическими средствами, учитывающими химическое строение волокон. Поэтому набор технологических операций, их режимы, рецептура и оборудование различаются в заключительной отделке текстильных материалов в зависимости от видов волокон. Более того, помимо операций одноименных, но специфических по рецептуре и режиму, имеются операции, характерные только для текстильных материалов из определенных волокон.
2. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ОТДЕЛКА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
К большинству текстильных материалов предъявляют требования по стандартной ширине, износостойкости, формостойкости (малосминаемости, малоусадочности). Виды отделок, в результате которых достигаются эти свойства, называются общими. К ним также относятся каландрирование, ворсование, стрижка и ряд других.
ВИДЫ ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫХ ОТДЕЛОК
Специальные виды Общие виды (химические) механические химические гидро-, олеофобность, грязеотталкивание износостойкость формоустойчивость к механическим воздействиям огнезащищённость малоусадочность ширение каландрирование усадка ворсование Рис.1. Классификация видов заключительной отделки2.1. ОТДЕЛКА ХЛОПЧАТОБУМАЖНЫХ ТКАНЕЙ
В зависимости от ассортимента хлопчатобумажные ткани проходят разные циклы операций заключительной отделки. Как и в случае текстильных материалов из других волокон, все операции делятся на механические и химические. Иногда эти операции взаимозаменимы, иногда могут дополнять друг друга. Так, придание малоусадочности можно достичь механически на тканеусадочной машине, можно химически с использованием сшивающих препаратов, а можно сочетать эти два подхода.Ширение. Практически на всех стадиях отделочного производства ткань обрабатывается в натянутом состоянии, что приводит к увеличению её размеров по основе и уменьшению по утку. Чтобы привести ткань к стандартным размерам по ширине, её подвергают ширению на специальных ширильных машинах (рис.2).
Основным рабочим органом машины являются две бесконечные цепи 1, движущиеся по направляющим рамам и образующие цепное поле. Цепи выполнены из отдельных звеньев, к которым крепятся специальные устройства – клуппы (игольчатые, ножевые или комбинированные), служащие для захвата кромок ткани и удержания их при ширении.
Цепное поле делится на участки ввода, стабилизации и вывода.
На участке ввода цепи сближены в начале для захвата кромок и расходятся к концу, чем и обеспечивается ширение. В зоне стабилизации цепи движутся параллельно для фиксации ширины, а на участке вывода они опять сближаются для облегчения съёма ткани с клуппов.
Ширение обычно совмещается с исправлением диагональных перекосов утка, для чего машины снабжены приборами для автоматической правки утка 2. Прибор отмечает перекос по величине и направлению и даёт команду одной из цепей двигаться быстрее или медленнее.
Каландрирование. Многие артикулы хлопчатобумажных тканей подвергаются каландрированию с целью механической модификации их поверхности. В зависимости от выбранного каландра и режима обработки тканям придаются умеренный блеск, глянцевая поверхность, выпуклый рисунок, муаровый эффект и т.д.
Каландры – это валковые машины с вертикальным расположением металлических и наборных валов, количество которых может быть различным. Наибольшее распространение получили трехвальные машины (рис.3), у которых средний вал металлический, обогреваемый паром или электричеством, а крайние валы наборные из прессованной шерстяной бумаги, придающей валу упругоэластические свойства.
Воспроизводимый на каландрах эффект зависит от покрытия валов, температуры обработки, давления в жале валов, скорости прохождения ткани, её влажности и т.д. Наиболее распространены следующие каландры:
ОТДЕЛОЧНЫЕ – используются для разглаживания, уплотнения ткани и придания ей умеренного блеска.
ФРИКЦИОННЫЕ – сообщают ткани глянцевый, лощеный эффект, что достигается превышением на 15-20% окружной скорости металлического обогреваемого вала над скоростью наборного. Металлический вал скользит по ткани подобно утюгу.
СЕРЕБРИСТЫЕ – придают ткани «серебристо-шелковистый»
блеск. На поверхность металлического вала нанесена гравюра в виде тончайших параллельных штрихов под некоторым углом к оси вала.
Они оставляют на лицевой поверхности ткани незаметные для глаза отпечатки, изменяющие отражение света.
ТИСНИЛЬНЫЕ – предназначены для получения на ткани выпуклых рисунков (например, гофрирование) за счёт изменения структуры её поверхности при прохождении ткани между валами, один из которых (металлический) имеет выпуклую гравюру, а другой (наборный) – углубленную соответствующей формы.
ЧЕЗИНГОВЫЕ – обеспечивают бельевым тканям муаровый эффект, имитирующий льняную ткань. Для этого несколько полотен ткани внакладку многократно пропускаются между каландрами.
Усадка. Требования к потребительской усадке хлопчатобумажных тканей определяются их назначением и особенно высоки по отношению к сорочечным, костюмным, плательным тканям. Их потребительская усадка при стирке не должна превышать 1-1,5%.
Для механической усадки ткани используются тканеусадочные машины, усадка на которых происходит за счёт сжатия ткани по основе при тепловом воздействии. Для этих целей применяются различные устройства, схемы которых изображены на рис.4.
Рис.4. Схемы устройств для механической усадки ткани В устройстве «а» к валу I прижимается опорная плита II, образуя узкое жало для прохождения ткани. Вал III с валом I образует второе жало для прохождения ткани. Скорость вала III меньше скорости вала I, поэтому во втором жале происходит образование микроскладок ткани и её усадка.
В устройстве «б» применён принцип волнообразования. Увлажнённая ткань 1 прижимается нагретым до температуры 2000С утюгом 5 к толстому эластичному бесконечному сукну 4, вместе с которым огибает транспортирующий ролик 3 с большой кривизной и переходит на поверхность сушильного барабана 2 с малой кривизной. В итоге растянутое сукно вместе с тканью сжимается и происходит усадка.
В более простом устройстве «в» усадка ткани 1 происходит за счёт сокращения растянутой поверхности бесконечного резинового ремня, огибающего прижимной 8 и натяжной 6 валы. К резиновому ремню прижимается усаживающий вал 7. Ткань подаётся на растянутую часть ремня. Пройдя через жало валов, ремень и ткань переходят с выпуклой внешней дуги на внутреннюю, где происходит сжатие ткани и её усадка.
Усадку ткани можно проводить и на сушильно-ширильной машине, снабжённой механизмом опережения. Сушильно-ширильная машина отличается от ширильной тем, что цепное поле (см. рис.2) проходит через термические камеры, где ткань обрабатывается горячим воздухом. Механизм опережения обеспечивает подачу ткани на игольчатые клуппы со скоростью, превосходящей скорость движения цепного поля. В результате увлажнённая ткань высушивается в натянутом состоянии по утку и в свободном (мелкими складками) – по основе, чем и достигается необходимая усадка.
Химические способы заключительной отделки называют ещё аппретированием, которое означает нанесение на ткань различных отделочных препаратов, улучшающих её потребительские свойства.
Из общих видов отделки химическими способами материалу придатся износостойкость и формоустойчивость (малоусадочность и малосминаемость).
2.1.2.1. Придание изделиям износостойкости В эксплуатации текстильные материалы испытывают разноообразные механические воздействия – растяжение, истирание, перекручивание и т.д., которые приводят к разрушению волокна. В зависимости от вида изделия и условий эксплуатации доля механодеструкции от всех видов повреждения может достигать 30-35%. На практике механическое воздействие на материал дополняется атмосферным – УФ лучей, влажности, температуры, кислорода, промышленных загрязнений. Защита от всех этих воздействий достигается нанесением на ткань различных высокомолекулярных соединений, образующих на поверхности волокна защитную плёнку.
К полимерным защитным плёнкам предъявляются следующие требования: эластичность, механическая прочность, прозрачность, высокая адгезия к волокну, нетоксичность. Защитная плёнка не должна ухудшать санитарно-гигиенические свойства материала, а для этого она должна формироваться на отдельных волокнах, не закрывая макропоры между волокнами в пряже и между нитями в ткани.
Несмотря на значительные достижения в области текстильной химии, большую массу хлопчатобумажных тканей, и особенно предназначенных для постельного белья, до сих пор аппретируют крахмалом. Технологический процесс очень прост: ткань пропитывают аппретом на основе крахмала и высушивают на сушильноширильной машине, где вместе с сушкой происходит и ширение ткани. Недостатком такой отделки является её неустойчивость к стиркам.
Образование на поверхности волокна устойчивой к стиркам защитной плёнки возможно при использовании «несмываемых» аппретов, разработанных благодаря научным исследованиям в полимерной химии. «Несмываемые» аппреты можно условно разделить на две группы: 1) нерастворимые в воде термопластичные полимеры – латексы; 2) растворимые в воде полимеры – предконденсаты термореактивных смол.
В качестве латексов используют 20-30%-ные дисперсии различных термопластичных полимеров – акриловых, полиметилметакриловых, винилхлоридных, полистирольных с размером частиц 0,1 мкм. Строение и название полимеров винилового ряда общей формулы [CH2 Су СН Cу] n представлены в табл.1.
Технологический процесс создания защитной плёнки термопластичного полимера состоит из тех же операций, что и аппретирование крахмалом: ткань плюсуют композицией, содержащей 2-5% латекса, и высушивают в сушильно-ширильной машине. При сушке идёт плавление частиц полимера и формирование защитной плёнки.
Такая отделка в зависимости от природы полимера повышает прочность материала к истиранию в 2-15 раз, на разрыв на 20-30% и выдерживает до 10-15 стирок.
Из препаратов второй группы наибольшее практическое применение нашли три – формальдегидные производные меламина (гликазин и метазин) и мочевины (карбамол):
Эти вещества при высокой температуре и в присутствии катализатора вступают в реакции поликонденсации друг с другом или с другими полимерами, содержащими -ОН и -NН2 группы. В результате взаимодействия образуются термореактивные смолы. Поскольку целлюлозные и белковые текстильные материалы содержат -ОН и NН2 группы, то при обработке этих волокон, кроме образования защитной плёнки полимера (смолы), происходит химическое взаимодействие этой плёнки с волокном, что значительно повышает устойчивость отделки к стирке (выдерживает до 25 стирок).
Ниже на примере карбамола показано взаимодействие молекул предконденсата друг с другом с образованием смолы сетчатой структуры (I) и с целлюлозой с образованием линейного полимера (II):
CO CO CO CO CO
Технологическая схема отделки текстильного материала препаратами второй группы состоит из плюсования материала предконденсатом с добавкой кислого катализатора (NH4Cl, MgCl2, AlCl3), сушки и термофиксации при 150-1800С в течение 1-2 мин. на сушильно-ширильной машине. Дополнительно к предконденсату в аппрет можно вводить полиэтиленовую эмульсию как мягчитель и крахмал или поливиниловый спирт для повышения износостойкости плёнки.Несомненным достоинством такой отделки является высокий и устойчивый эффект защиты материала от внешних воздействий, а недостатком – повышение его жёсткости, снижение прочности, использование формальдегидсодержащих препаратов.
2.1.2.2. Придание изделиям формостойкости Под формостойкостью понимают способность текстильных материалов сопротивляться деформационным нагрузкам (сжатию, натяжению), сохранять свои линейные размеры (не усаживаться) и способность расправлять временно образовавшиеся складки (не сминаться).
Наиболее низкой формоустойчивостью обладают текстильные материалы из целлюлозных волокон, что объясняется особенностью их морфологического и надмолекулярного строения. Смятие (появление складок, морщин, заломов) и изменение линейных размеров (уменьшение – усадка, увеличение – вытяжка) имеют общие причины и специфику. В аморфных зонах целлюлозного волокна под действием деформационных нагрузок происходит разрыв межмолекулярных связей и начинается смещение макромолекул, микрофибрилл и других структурных элементов волокна относительно друг друга. Это смещение зависит не только от нагрузки, но и от влажности волокна. Вода, проникая в аморфные зоны, вызывает его набухание, облегчает разрыв межмолекулярных связей и тем самым облегчает смятие. Поэтому влажные гидрофильные материалы легче сминаются.
После снятия нагрузки образуются новые межмолекулярные связи в другом месте, в результате чего фиксируется складка или изменение линейного размера. Для устранения складок и возвращения линейных размеров необходимо направить процесс в обратную сторону, т.е. разорвать новые межмолекулярные связи (в основном водородные) в аморфных областях, расправить изогнутые волокна и дать возможность связям возникнуть в заданном положении. Это происходит при глажении увлажнённого текстильного материала.
Для придания целлюлозным материалам формоустойчивости используют два подхода:
1. Заполнение рыхлых аморфных областей волокна смолой, обладающей упругоэластическими свойствами, что улучшает упругость и эластичность всего материала.
2. «Сшивка» макромолекул целлюлозы в аморфных областях прочными химическими поперечными связями. Образование 4- сшивок на 100 глюкозных остатках значительно повышает устойчивость волокна к деформации.
В соответствии с этими двумя подходами все химические препараты для придания целлюлозным изделиям формостойкости можно разделить на два типа:
- препараты, образующие смолы в структуре волокна;
- препараты, поперечно сшивающие макромолекулы волокна химическими связями.
Деление это условно, поскольку сшивающие препараты способны взаимодействовать друг с другом, образуя смолу, а предконденсаты смол могут химически реагировать с гидроксильными группами целлюлозы. Поэтому можно говорить о том, что одни препараты преимущественно сшивают макромолекулы целлюлозы, а другие преимущественно образуют смолы.
К препаратам первой группы относятся уже знакомые нам метазин, гликазин и карбамол. Они используются для повышения не только износостойкости, но и формоустойчивости целлюлозных материалов.
Больший эффект формостойкости придают препараты второй группы, являющиеся циклическими формальдегидными производными мочевины, – карбамол ЦЭМ, карбамол ГЛ, карбазон О, карбазон Э:
Технологии повышения формостойкости, как и износостойкости, предусматривают плюсование материала аппретом, содержащим препарат и катализатор, сушку, термообработку. Для этих целей обычно используют линии, например пропиточнополимеризационную (рис.5), на которых кроме указанных эффектов тканям сообщается стандартная ширина, устраняются перекосы уточных нитей. В состав линии входит раскатная машина 1, трёхвальная плюсовка 2, сушильная воздушно-роликовая машина 3, установка для правки утка 4, сушильно-ширильная машина 5, термозрельник 6, накатная машина 7.
Рис.5. Пропиточно-полимеризационная линия При использовании формостойких тканей на швейных фабриках возникает ряд трудностей:
- изделиям из них очень трудно придать необходимую форму, особенно фиксированные складки (плиссе, гофре), поскольку ткань «сопротивляется» изменению формы, фиксированной на отделочной фабрике;
- на швейных машинах происходит быстрое затупление и поломка игл из-за имеющейся в волокне жёсткой смолы.
Для решения этих проблем созданы специальные технологии с «отсроченной» фиксацией препарата, т.е. технологии, в которых в отделочном производстве закладывается потенциальная возможность формостойкости, а реализуется она в швейном производстве, когда изделие уже сшито, ему придана необходимая форма и остаётся эту форму только зафиксировать. Для этих технологий используются препараты с низкой реакционной способностью (например карбамол ГЛ), которая не проявляется на стадии отделочного производства и при длительном хранении на складах перед пошивом.
Хлопчатобумажную ткань, пропитанную таким сшивающим препаратом с добавкой катализатора, можно хранить в течение 6 месяцев. За это время только10% его прореагирует с целлюлозой.
Технология с «отсроченной» фиксацией препарата состоит из следующих операций:
- пропитка и сушка ткани при температуре не выше 1000С до остаточной влажности 5-6% на сушильно-ширильной машине;
- охлаждение во избежание преждевременной фиксации препарата и накатка в ролик;
- разбраковка и накатка на цилиндрические гильзы для отправки на швейные фабрики;
- раскрой и пошив изделия;
- влажно-тепловая обработка на прессах;
- термообработка с целью фиксации заданной формы.
Использование «сшивающих» препаратов позволяет добиться высокой устойчивости текстильных изделий к износу, смятию, усадке. Вместе с тем возникают и отрицательные моменты, главными из которых являются следующие:
1. Потеря прочности на разрыв хлопчатобумажных тканей при отделке «сшивающими» препаратами достигает 35-40%. Возникновение поперечных сшивок между макромолекулами волокна препятствует равномерному распределению нагрузки по сечению и длине волокна при его механической деформации. Поэтому нагрузка концентрируется в отдельных местах, в которых и происходит разрушение материала. Дополнительной причиной потери механической прочности являются достаточно жёсткие условия обработки – высокая температура, кислые катализаторы.
Для снижения потерь рекомендуется материал ещё на стадии подготовки подвергать мерсеризации. Её положительное влияние обусловлено выравниванием структуры волокна, снятием локальных напряжений, что позволяет снизить потерю прочности материала до 20-25%.
Снижению потерь способствует также введение в состав аппретов мягчителей, выступающих в роли пластификаторов и облегчающих перемещение сшитых элементов структуры волокна при деформационных нагрузках.
2. Выделение газообразного формальдегида в отделочном производстве, на складах при хранении отделанных текстильных материалов, в швейном производстве и при носке изделий раздражает слизистую носоглотки и может вызывать при постоянном контакте с человеком серьёзные заболевания дыхательных путей. Поэтому во многих национальных стандартах и нормах ПДК имеются ограничения по содержанию формальдегида в воздухе рабочих помещений, в сточных водах и текстильных материалах.
Проблема формальдегида решается путем создания мало- и несодержащих формальдегид препаратов, а также совершенствования технологий отделки. Всё это увеличивает себестоимость продукции, но улучшает экологическую обстановку.
«