Разработка новых загущающих систем на основе эфиров целлюлозы и крахмала для текстильной печати

На правах рукописи

НЕКРАСОВА Валентина Николаевна

Разработка новых загущающих систем

на основе эфиров целлюлозы и крахмала

для текстильной печати

05.19.02 – Технология и первичная обработка текстильных

материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново – 2010

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

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Щеглова Татьяна Леонидовна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Киселев Александр Михайлович

доктор химических наук, ст.н.с.

Липатова Ирина Михайловна

Ведущая организация:

ООО «Приволжская отделочная фабрика»,

Ивановская обл., г. Приволжск

Защита состоится « 7 » июня 2010 года в 10:00 часов в аудитории Г205 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

Тел. (4932) 32-54-33

Факс: (4932) 32-54-33

E-mail: dissovet@isuct.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан « 4 » мая 2010 г.

Ученый секретарь совета Д 212.063.03 Шарнина Л.В.

общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время достигнут значительный прогресс в художественном и колористическом оформлении текстильных материалов, и все больший удельный вес во всем мире занимают набивные текстильные материалы, а конкуренция в области текстильного печатания принимает глобальные масштабы.

В этих условиях коренной проблемой отечественной текстильной промышленности является повышение конкурентоспособности ее продукции, решение которой требует не только повышения качества текстильных материалов, но и снижения издержек производства, а также обеспечения экологических требований в соответствии с мировыми стандартами.

На отделочных предприятиях во всем мире для печатания целлюлозосодержащих текстильных материалов в основном используют пигменты и активные красители. В том и другом случае эффективность процесса печатания во многом зависит от правильного выбора загустителя, роль которого проявляется как в качестве печатного рисунка, так и в экономическом и экологическом аспектах производства набивных тканей.

Особую актуальность в настоящее время приобрели во всем мире вопросы экологии. Одной из основных причин, обостряющих экологические проблемы в текстильном отделочном производстве, является выброс в окружающую среду жидких отходов – стоков, в которых содержатся не использованные или отслужившие свою роль соединения, в частности, загущающие вещества.

Поэтому вполне очевидна актуальность и своевременность исследований, направленных на создание технологий, в которых в качестве текстильно-вспомогательных веществ используются безопасные как для биосферы, так и для человека природные соединения. Таким требованиям в полной мере, применительно к продукции для загущения печатных красок, отвечают карбоксиметиловые эфиры крахмала и целлюлозы, поскольку они производятся из возобновляемого растительного сырья, подвергаются биологическому расщеплению без образования вредных веществ, недефицитны и сравнительно недороги. Несмотря на указанные преимущества на отечественных отделочных предприятиях в настоящее время они практически не используются.

В связи с этим представляется вполне оправданным и целесообразным разработка новых загущающих композиций на основе воспроизводимых биополимеров, т.к. применение при печати отечественных недорогих и эффективных загущающих составов является важным звеном в цепочке мероприятий для обеспечения конкурентоспособности и снижения себестоимости российской текстильной продукции.

Настоящая работа выполнена по планам НИР Ивановского государственного химико-технологического университета.

Цель работы состояла в разработке новых низкоконцентрированных загущающих систем на основе эфиров целлюлозы и крахмала для текстильной печати, а также оценке их эффективности при печатании текстильных материалов активными красителями и пигментами.

Для достижения поставленной цели исследования проводились в следующих направлениях:

• изучение закономерностей получения низкоконцентрированных вязких составов с устойчивой структурой на основе средне- и высоковязких карбоксиметиловых эфиров целлюлозы и крахмала с высокой степенью замещения;
• выбор наиболее эффективных стабилизаторов и ПАВ при получении вязких систем с различными значениями водородного показателя;
• определение оптимального состава новых вязких композиций и оценка их структурно-механических и реологических характеристик;
• исследование механизма образования пористых и гелеобразных загущающих систем путем модификации эфиров полисахаридов специально подобранными стабилизаторами и ПАВ;
• оптимизация составов печатных красок для активных красителей и пигментов на основе низкоконцентрированных загусток;
• разработка рациональных технологий печатания активными красителями и пигментами с использованием новых загущающих композиций;
• оценка эффективности применения низкоконцентрированных составов в качестве загусток при печатании различных целлюлозосодержащих тканей активными красителями и пигментами.

Общая характеристика объектов и методов исследования. Основными объектами исследования являлись водорастворимые полисахариды – карбоксиметиловые эфиры крахмала и целлюлозы производства ЗАО «Полицелл» (г. Владимир), различные соединения алюминия, подготовленные под печать хлопчатобумажные, льняные, вискозные штапельные и хлопкополиэфирные ткани, технические активные красители и пигментные пасты.

Экспериментальные исследования проводились с использованием современных методов исследования: спектрофотометрических, вискозиметрических, колориметрических и калориметрических. Показатели устойчивости окрасок к физико-химическим воздействиям оценивали в соответствии с действующими ГОСТами. Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики с применением ЭВМ.

Научная новизна. Предложен новый оригинальный принцип и схема процесса получения устойчивых вязких структур путем модификации карбоксиметиловых эфиров целлюлозы и крахмала комплексообразующими соединениями алюминия. На основе этого разработаны эффективные низкоконцентрированные пористые и гелеобразные системы для загущения печатных красок и технологии колорирования целлюлозосодержащих текстильных материалов активными красителями и пигментами.

При этом получены следующие наиболее существенные научные результаты:

• установлено, что комплексные соли алюминия способны взаимодействовать с макромолекулами полимера и некоторыми поверхностно-активными веществами, что обеспечивает увеличение вязкости гелеобразной системы в 2,02,3 раза, а пористой – 2,220,5;
• разработан способ получения пористых составов (аналогов пенных), сохраняющих свою структуру без изменения в течение более 5 суток;
• впервые вискозиметрическим, калориметрическим и спектрофотометрическим методами выявлен факт взаимодействия компонентов низкоконцентрированных систем в процессе их образования;
• в результате установленных закономерностей разработаны новые эффективные загущающие композиции и печатные составы на их основе для активных красителей и пигментов. Новизна разработанных составов подтверждена положительными решениями по заявкам на выдачу Патентов РФ №2008138800/12 (050023) от 26.11.09 и №2009109548/04 (012891) от 25.03.10.

Практическая значимость. Разработаны низкоконцентрированные загущающие композиции гелеобразных и пористых структур на основе карбоксиметиловых эфиров крахмала и целлюлозы, а также печатные составы с их использованием. Оценены технологическая, экономическая эффективность и экологическая безопасность новых технологий печатания целлюлозосодержащих текстильных материалов активными красителями и пигментами.

Новые пористые составы испытаны в условиях отделочного производства ОАО «Кохматекстиль» (г. Кохма, Ивановская область). Замена традиционных и известных пенных загусток на разработанные низкоконцентрированные составы позволяет:

• улучшить качество набивных тканей;
• повысить экологичность текстильных материалов, напечатанных с применением разработанных пигментных композиций, за счет исключения формальдегидсодержащих препаратов;
• снизить в 1,52,5 раза материало- и ресурсоемкость процессов печатания целлюлозосодержащих тканей активными красителями и пигментами.

Автор защищает:

• способ получения и составы низкоконцентрированных гелеобразных и пористых загусток;
• установленные закономерности взаимодействия комплексных солей алюминия с макромолекулами карбоксиметилового эфира целлюлозы или крахмала и со стеаратом натрия;
• составы печатных красок и технологии колорирования целлюлозосодержащих тканей активными красителями и пигментами.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на 17 Международных и Всероссийских конференциях. Наиболее значимые из них:

• Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль – 2007), г. Москва, МГТУ им. Косыгина А.Н., 2007;
• Международная научно-техническая конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2008), г. Иваново, ИГТА, 2008;
• Международная научно-техническая конференция «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона» (Лен – 2008), г. Кострома, 2008;
• Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль – 2008), г. Москва, МГТУ им. Косыгина А.Н., 2008;
• III Международная научно-техническая конференция «Достижения текстильной химии – в производство» («Текстильная химия – 2008»), г. Иваново, 2008;
• IV Всероссийская научная конференция (с международным участием) «Физико-химия процессов переработки полимеров», г. Иваново, ИХР РАН, 2009;
• Международная научно-методическая конференция с элементами научной школы для молодежи «Достижения в области химической технологии и дизайна текстиля, синтеза и применения красителей», г. Санкт-Петербург, СПГУТД, 2009.

Публикации. Результаты исследований, отражающих основное содержание диссертационной работы, опубликованы в 22 печатных работах, в том числе в 3 статьях перечня, рекомендованного ВАК РФ, 17 тезисах докладов научно-технических конференций и в материалах 2-х заявок, по которым имеются положительные решения на получение патентов РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, экспериментальной части с обсуждением результатов, выводов, списка использованной литературы (227 источников) и 2-х приложений. Научная работа содержит 199 с. машинописного текста, 41 рис., 38 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение

Обоснована актуальность работы, описаны элементы научной новизны и практической значимости.

1. Литературный обзор

Проанализирована научно-техническая информация о современном состоянии и перспективах развития ассортимента загустителей для текстильной печати и показано, что в соответствии с современными экологическими требованиями и с учетом экономической целесообразности наиболее выгодными для использования в отделочном производстве являются низкоконцентрированные загущающие составы на основе модифицированных эфиров целлюлозы и крахмала.

2. Методическая часть

Описаны объекты исследований, методы проведения исследований и методики оценки качества печати.

3. Экспериментальная часть и обсуждение результатов

3.1. Оптимизация состава и способа приготовления загусток на основе модифицированных эфиров целлюлозы и крахмала

3.1.1. Определение концентрационных параметров гелеобразных и пористых составов

В основу получения предлагаемых составов заложен принцип образования химических и физических связей между макромолекулами полимера и ПАВ посредством специально подобранных стабилизаторов, которые способны сохранять гидрофильность и устойчивость новой структуры. Используя этот принцип, получены низкоконцентрированные полимерные композиции как гелеобразных, так и пористых структур с различными значениями водородного показателя: от «щелочных» (рН=912) до «кислых» (рН=2,56).

Анализ свойств новых вязких систем показал, что пористые составы, содержащие катионоактивные ПАВ и стабилизаторы кислотного характера, не обеспечивают необходимую устойчивость во времени. Напротив, хорошей стабильностью характеризуются структуры «щелочных» вязких составов, которые содержат в качестве полимера карбоксиметиловые эфиры целлюлозы (ПАЦ-В, КМЦ-7В и КМЦ-9В) или крахмала (КМК-ОК и КМК-БУР 1), стабилизатор щелочного характера и анионоактивный ПАВ.

Для оценки влияния вида и концентрации полимера (при одинаковом содержании стабилизатора и ПАВ) на свойства получаемых систем исследована зависимость вязкости композиции () от концентрации карбоксиметилового эфира полисахарида (С). При этом установлено, что самые низкоконцентрированные системы с необходимой динамической вязкостью и хорошей устойчивостью структуры обеспечивает препарат ПАЦ-В (1% – для получения пористых структур и 2,5% – для гелеобразных), что наглядно видно из рис. 1.

а) б)

1 – ПАЦ-В; 2 – КМЦ-7В; 3 – КМЦ-9В; 4 – КМК-ОК; 5 – КМК-БУР 1

Рис.1 Зависимость вязкости пористой (а) и гелеобразной (б) композиций от концентрации и вида полимера.

Предварительными исследованиями, проведенными на кафедре ХТВМ ИГХТУ, установлено, что наиболее эффективным стабилизатором является смесь комплексных солей алюминия ([Аl(ОН)4(Н2О)2]-, [Аl(ОН)6]3-, [Аl(ОН)5(Н2O)]2-). Для оптимизации состава алюмо-щелочного стабилизатора (АЩ) была проведена оценка влияния различных соединений алюминия и концентрации компонентов комплексного стабилизатора на полноту комплексообразования. На основании данных по прозрачности растворов показано, что необходимую смесь комплексных солей можно получить, используя любую водорастворимую соль алюминия или непосредственно гидроксид алюминия в сочетании с гидроксидом натрия при оптимальном соотношении компонентов.

В результате оценки эффективности стабилизирующего действия алюмо-щелочных стабилизаторов, полученных с использованием различных соединений алюминия, выявлено, что при одинаково высокой устойчивости системы, стабилизатор на основе гидроксида алюминия, взятый вдвое меньшей концентрации, обеспечивает наименьшее значение рН системы. Это является важным условием применения состава в качестве загусток как для активных красителей, так и для пигментов (табл.1).

Таблица 1

Влияние стабилизатора на качество получаемой пористой загустки на основе ПАЦ-В

Соединение алюминия	Конц. стабилизатора, г/кг	рН	Кратность пены	Плотность загустки, г/л
				свежеприготовленной	после выдерживания в течение суток
1	2	3	4	5	6
Al2(SO4)3 18H2O	40	10	5,9	147,9	147,9
	50	10	6,5	143,8	143,8
	60	10	5,6	163,3	163,3