ПЛАЗМОХИМИЯ
677.31:675.015.64:533.9
ПЛАЗМЕННАЯ АКТИВАЦИЯ ШЕРСТЯНОГО ВОЛОКНА
ПЕРЕД КРАШЕНИЕМ © 2014 г. С. В. Смирнова
Ивановский государственный химико-технологический университет 153000, Иваново, Шереметевский просп., 7 Е-таИ: smirnovasv1961@mail.ru Поступила в редакцию 25.03.2014 г.
Проведена комплексная оценка влияния предварительной обработки шерстяных волокон низкотемпературной плазмой тлеющего разряда (НТП) на процесс крашения активными красителями. Исследовано влияние НТП на кинетические параметры проведения процесса крашения, а также на колористические и прочностные показатели окрашенных волокон. Разработана эффективная технология крашения шерсти, основанная на плазменной активации волокна перед крашением.
Б01: 10.7868/80023119714050147
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2014, том 48, № 5, с. 411-416
УДК
Активные красители имеют особое значение для колорирования текстильных материалов. Только красители этого класса способны образовывать с полимерными молекулами окрашиваемого материала ковалентную связь, что придает окраске максимальную устойчивость в процессе эксплуатации. К числу преимуществ активных красителей относятся яркость и чистота получаемых оттенков, широта цветовой гаммы, невысокая стоимость удаления их из сточных вод [1].
Крашение шерстяных текстильных материалов активными красителями имеет сложности, особенно проявляющиеся при крашении по наиболее типичному для шерсти способу — периодическому. Активное крашение кератиновых волокон всегда проблематично с точки зрения ровноты получаемой окраски, а также в плане выбираемо-сти красителей из красильных ванн. Обе проблемы вызваны особенностью строения шерсти: верхний слой волокна — так называемая экзокутикула — имеет повышенную плотность и гидрофобность, содержит большое количество жироподобных веществ (липидов). Эти препятствующие полному и быстрому выбиранию красителя факторы еще более осложняют крашение неравномерностью своего распределения по поверхности волокна. Свою лепту в затрудненность и неравномерность проникновения красителей вглубь сердцевины волокна — кортекса вносят остатки загрязнений (в том числе и гидрофобных), всегда присутствующие на шерсти, даже прошедшей хорошую промывку на фабриках первичной переработки.
В крашении шерсти красителями любых классов (а активными красителями — особенно) важное значение имеет предварительная подготовка волокна, часто сопряженная с химической модификацией его поверхности. Задача такой подго-
товки — придать поверхностному слою волокна высокую и, главное, равномерную проницаемость для молекул красителей. Классическими решениями принято считать щелочную обработку с применением специальных текстильно-вспомогательных веществ [2, 3], а также окислительную обработку поверхности волокна (способ Херкосет) [1]. Оба способа подготовки шерсти связаны с химическим повреждением поверхности волокна и не всегда дают требуемую равномерность подготовки поверхности.
Альтернативные способы подготовки шерсти под крашение основаны на электрофизических способах воздействия на волокно, в которых электрическая энергия используется без промежуточного ее преобразования в другие виды энергии непосредственно в рабочей зоне через тепловое, химическое, механическое воздействие [4]. Одним из перспективных направлений химии высоких энергий для текстильной промышленности является плазмохимия. Этой теме посвящено много публикаций [4—9]. Для модификации текстильных материалов в основном используется НТП, генерируемая тлеющим барьерным или коронным разрядами, хотя известны работы по использованию и других типов разрядов. В отличие от барьерного разряда, тлеющий разряд характеризуется более глубокой и быстрой модификацией поверхности волокнистого материала [10].
Воздействие НТП на поверхность шерстяного волокна проходит по двум основным типам [4]. Во-первых, происходит разрушение (травление) поверхности волокна на глубину около 5 нм. Это соответствует толщине экзокутикулы, представляющей наибольшее препятствие процессу крашения. Разрушаются наиболее плотный слой клеток и придающие гидрофобность липиды [11].
Что важно — стравливается в первую очередь неравномерный чешуйчатый слой волокна, имеющий толщину 0.5—1.5 нм (для тонкого мериносового волокна [4]), поверхность становится ровнее и однороднее, сглаживается естественная неравномерность ее рельефа. При этом происходит и окислительная деструкция имеющихся на поверхности волокна загрязнений, в том числе гидрофобных. Второй тип воздействия низкотемпературной плазмы состоит в химической и структурной модификации волокна на большую глубину — до 5000 нм [4, 5] и протекает с участием радикалов. При использовании в кислородной или воздушной среде отмечается увеличение количества гидрофильных групп и превращение части молекул цистина в цистеиновую кислоту [10], что приводит к лучшей и более равномерной смачиваемости шерсти [12].
В [11—13] подчеркивается не только рост общего числа гидрофильных групп за счет появления новых гидрокси- и карбоксигрупп, но и заметное снижение количества аминогрупп, выражающееся, например, в снижении кислотной емкости шерсти. Снижение количества групп, способных к прото-низации в кислой среде, предотвращает прочное электростатическое связывание анионов красителя в поверхностном слое волокна и тем самым облегчает внутреннюю диффузию красителя [4, 11—14]. Более благоприятные для внутренней диффузии красителей условия должны приводить не только к лучшему выбиранию красителя из красильной ванны, но и к росту равномерности его распределения в волокне.
Протекающая с участием радикалов модификация поверхностных слоев волокна сопровождается образованием относительно равномерной пространственной сетки микроскопических (более 200 нм) пор и трещин в его матрице [15]. В [16] отмечено образование трещин крупнее 500 нм. Это не только повышает равновесную сорбцион-ную емкость волокна, но и сокращает время его достижения. При этом отмечается лишь незначительное снижение прочности волокна.
Таким образом, воздействие НТП тлеющего разряда на поверхность шерсти при правильном подборе времени обработки дает идеальную глубину модификации волокна, сопряжено с минимальными повреждениями последнего и — что наиболее важно — обеспечивает высокую равномерность подготовки поверхности. Неоспоримый плюс подготовки шерсти с использованием НТП — высочайшая экологичность. Плазменная технология заменяет обработку в жидкой (водной) среде и исключает как образование сточных вод, так и выброс тепла в окружающую среду.
Интересна с технологической точки зрения перспектива применения низкотемпературной плазмы для решения наиболее сложной задачи —
подготовки шерстяного волокна для крашения активными красителями по периодическому способу. Целью настоящей работы явилась разработка эффективной технологии крашения шерстяного волокна активными красителями, основанной на модификации шерстяного волокна низкотемпературной плазмой тлеющего разряда перед крашением, обеспечивающей высокую степень извлечения активных красителей из красильных растворов, высокую степень ковалентной фиксации, высокую равномерность и устойчивость окраски.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Использована шерстяная гребенная лента марок: помесная союзная 60к и австралийский меринос 64к. Применены активные красители гаммы Дримарен W, специально разработанные для крашения шерсти (ранее красители этой марки использовались нами для крашения шерсти, подготовленной по классической "мокрой" технологии [2]). Обработка шерстяного волокна низкотемпературной плазмой проводилась в "Научно-исследовательском институте термодинамики и кинетики химических процессов" ИГХТУ в лаборатории ионно-плазменных процессов на лабораторной установке плазмохимической обработки в воздушной плазме тлеющего разряда переменного тока промышленной частоты (50 Гц) при плотности тока разряда 350 мА/см2, давлении газа 75 Па. Время обработки составляло от 5 до 120 с. Принципиальная схема плазменной установки приведена в [7].
Крашение шерстяного волокна активными красителями проводилось по периодическому способу. Процесс начинался при температуре 40°C; через 20 мин следовал разогрев до температуры кипения, продолжавшийся 20 мин; затем происходило крашение при 96—98°C в течение 60 мин. После расхолодовки и слива красильного раствора волокно промывалось щелочным раствором (рН 8—8.5 создавалось добавлением 25%-ного аммиака). В процессе крашения через определенные промежутки времени отбирались пробы красильных растворов из рабочей ванны для спектрофотомет-рического анализа. Оптическая плотность растворов красителя определялась при длине волны, соответствующей максимуму светопоглощения каждого из красителей. Расчет интенсивности окраски волокнистых материалов (K/S) проводился при помощи коэффициентов отражения окрашенных материалов при длинах волн, соответствующих максимуму отражения для каждого из исследуемых красителей с использованием уравнения Гуревича—Кубелки—Мунка [17].
ПЛАЗМЕННАЯ АКТИВАЦИЯ ШЕРСТЯНОГО ВОЛОКНА ПЕРЕД КРАШЕНИЕМ
413
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние подготовки волокна на скорость процесса крашения исследовалось на основании экспериментальных данных по кинетике выбирания исследуемых красителей. Пример экспериментально полученной серии кинетических кривых одного из исследованных красителей (Дримарена синего W-RL) представлен на рисунке. Пунктирными линиями показано изменение температуры в процессе крашения.
Из рисунка видно, что при крашении шерстяного необработанного волокна (кривая 1) в начальный момент (первые 20 мин) и в течение поднятия температуры крашения до 96°С (через 40 мин обработки) краситель практически не выбирается (его содержание в растворе уменьшается лишь на 3— 4%). Это связано с влиянием описанных выше свойств экзокутикулы волокна, препятствующим протеканию практически всех физико-химических процессов крашения (смачивания поверхности, адсорбции красителя и его внутренней диффузии). Далее содержание красителя в растворе медленно снижается и к завершению процесса крашения степень его выбирания составляет 40%.
Если рассмотреть кинетику крашения ш
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.