Совершенствование процесса отбеливания хлопчатобумажных тканей композицией на основе оптического отбеливателя стильбентриазинового ряда

На правах рукописи

Мартьянов Константин Игоревич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТБЕЛИВАНИЯ ХЛОПЧАТОБУМАЖНЫХ ТКАНЕЙ КОМПОЗИЦИЕЙ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ОТБЕЛИВАТЕЛЯ СТИЛЬБЕНТРИАЗИНОВОГО РЯДА

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ») на кафедре «Химические технологии органических веществ».

Научный руководитель:	– доктор технических наук, доцент Брянкин Константин Вячеславович
Официальные оппоненты:	– Рудобашта Станислав Павлович доктор технических наук, профессор, Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, заведующий кафедрой теплотехники и энергообеспечения предприятий – Тишин Олег Александрович доктор технических наук, профессор, Волжский политехнический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета, заведующий кафедрой технологических машин и оборудования
Ведущая организация	Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт химикатов для полимерных материалов» (ОАО «НИИхимполимер»), г. Тамбов

Защита состоится «01» июля 2013 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205. Тел.: (4932) 32-54-33. E-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000,
г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «____» ________ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.063.05 Зуева Галина Альбертовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Происходящие в России процессы развития рыночных отношений оказывают благоприятное влияние на наращивание производства товаров бытовой химии, ведущей среди которых является группа синтетических моющих средств (СМС). В состав СМС входит оптический отбеливатель, использующийся для крашения в белый цвет хлопчатобумажных тканей (х/б тканей).

Основным показателем оптических отбеливателей является прирост белизны ткани, который в значительной степени зависит от вида оптического отбеливателя, типа ткани, технологических параметров процесса нанесения оптического отбеливателя и наличия наполнителей, повышающих эффективность отбеливания ткани.

Отбеливание х/б тканей длится 30 мин при температуре 50 °С, при этом белизна ткани достигает своего максимального значения при определенной концентрации оптического отбеливателя и дальнейшее увеличение белизны возможно только при увеличении его концентрации в растворе СМС, что экономически нецелесообразно.

Разработка оптически отбеливающей композиции (ООК), в состав которой входят оптический отбеливатель и наполнители, позволит: снизить расход оптического отбеливателя для придания ткани требуемой белизны, уменьшить продолжительность процесса нанесения компонентов ООК на волокна нитей х/б ткани, снизить затраты на производство ООК за счет создания новых выпускных форм.

Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы ГК от 1 декабря 2010 г. № 14.740.11.0821, Аналитической ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» код РНП. 2.2.1.1.5355, гранта РФФИ № 12-03-97552-р_центр_а.

Цель работы. Создание физической модели процесса переноса ООК в волокна нитей х/б ткани, разработка его математического описания, позволяющего определить технологические параметры процесса переноса ООК в нити х/б ткани для достижения заданной степени белизны х/б ткани. Разработка ООК на основе оптического отбеливателя для х/б тканей, повышающей белизну волокон нитей х/б ткани за счет введения наполнителей, увеличивающих воздействие оптического отбеливателя на х/б ткань.

Задачи исследования. Для выполнения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

– исследована структура х/б ткани типа «Бязь» из хлопковых волокон;

– предложена физическая модель процесса переноса ООК в волокна нитей х/б ткани;

– разработано математическое описание процесса переноса ООК в нити х/б ткани с учетом типа ткани, геометрии нитей и способа их плетения;

– определены наполнители, используемые при отбеливании х/б тканей для повышения эффективности воздействия оптического отбеливателя;

– предложен состав наполнителей в ООК, обеспечивающий высокое качество отбеливания волокон нитей х/б ткани;

– изучено влияние наполнителей ООК на белизну х/б ткани;

– предложена ООК, формирующая высокие показатели качества х/б ткани при ее нанесении;

– проведена проверка адекватности предложенного математического описания процесса переноса ООК в нити х/б ткани реальному процессу;

– предложена инженерная методика, позволяющая определить технологические параметры процесса крашения: продолжительность процесса переноса ООК в нити х/б ткани, концентрацию ООК в х/б ткани по окончании процесса, обеспечивающую требуемую белизну волокон нитей х/б ткани;

– обоснована себестоимость производства ООК в сухой выпускной форме и в виде высококонцентрированной суспензии.

Научная новизна работы:

– предложена физическая модель процесса переноса ООК в волокна нитей х/б ткани;

– разработано математическое описание процесса переноса ООК в нити х/б ткани с учетом: типа ткани, геометрии нитей и способа их плетения;

– предложен состав наполнителей в ООК, обеспечивающий высокое качество отбеливания волокон нитей х/б ткани;

– установлено влияние наполнителей ООК на белизну х/б тканей.

Практическая ценность:

– предложена схема красильной установки для нанесения ООК на х/б ткань;

– определены концентрации наполнителей ООК и их влияние на прирост белизны волокон нитей х/б тканей;

– разработаны две выпускные формы ООК, состоящие из оптического отбеливателя и наполнителей, обеспечивающие высокие показатели качества отбеливания х/б тканей (при наличии 50 % оптического отбеливателя в ООК);

– разработана инженерная методика расчета технологических параметров нанесения ООК на х/б ткань при использовании предложенной красильной установки, позволяющая рассчитывать: скорость движения х/б ткани, продолжительность процесса нанесения ООК на х/б ткань и ее выдержки для достижения заданной концентрации ООК в х/б ткани;

– рассчитана себестоимость производства ООК в сухой выпускной форме и в виде высококонцентрированной суспензии (ВКС), которая подтверждает экономическую целесообразность ее производства. Снижение себестоимости составило для сухой выпускной формы 36,5 %, а для ВКС-формы - 38,7 % по сравнению с оптическим отбеливателем.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Первой международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2010 г.), Восьмой всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологии» (Тула, 2010 г.), Пятой общероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные вопросы современной науки и образования» (Красноярск, 2010 г.), Первой международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Диссертация содержит 147 страниц машинописного текста, в том числе 57 рисунков и 54 таблицы, список использованных источников включает 146 наименований отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований. Показана научная новизна и практическая ценность, даны рекомендации по реализации результатов исследования в промышленности и научно-инженерной практике.

В первой главе проведен обзор существующих оптических отбеливателей, приведены области их применения; пояснены основные показатели эффективности их работы; рассмотрено влияние химического состава оптических отбеливателей на субстантивность; отмечена однотипность поведения оптических отбеливателей и красителей при осуществлении процессов крашения; приведено описание структурного строения хлопкового волокна; рассмотрено влияние различных наполнителей ООК на прирост белизны х/б ткани; определены технологические параметры процесса нанесения ООК на волокна нитей х/б ткани и их влияние на белизну х/б тканей (геометрические размеры аппарата, концентрации ООК, температура и рН оптически отбеливающего раствора); проведен обзор существующих способов организации процесса крашения и современного оборудования для крашения ткани; проведен обзор существующих способов распыла жидкостей; представлены результаты анализа по использованию оптических отбеливателей в составе СМС: приведена информация по использованию математических зависимостей для описания процессов переноса ООК в волокна нитей х/б тканей; сформулированы задачи исследования.

Во второй главе дается описание схемы установки для нанесения ООК на х/б ткань, предлагается физическая модель процесса переноса ООК в волокна нитей х/б ткани и ее математическое описание.

Процесс нанесения ООК на х/б ткань осуществляется распылением по схеме, приведенной на рис. 1. СМС распыливается на х/б ткань с помощью гидравлических форсунок методом водяных лезвий таким образом, чтобы вся зона нанесения СМС на поверхность х/б ткани была охвачена областью распыла.

Рис. 1. Схема нанесения ООК на х/б ткань.

Процесс нанесения ООК на х/б ткань осуществляется в непрерывном режиме подачи СМС и движения полотна х/б ткани. В зоне подготовки х/б ткани осуществляется ее обработка горячей водой или паром, избыток воды отжимается валами. В область нанесения СМС на х/б ткань поступает влажная прогретая х/б ткань с расширенными порами волокон.

Белизна х/б ткани достигается за счет адсорбции ООК волокнами нитей х/б ткани. Механизм переноса ООК в волокна х/б ткани принимаем идентичным процессу отбеливания раствором оптического отбеливателя. Далее производится отжим х/б ткани и промывка ее холодной водой, обеспечивающей удаление СМС из пространства между нитями х/б ткани. При этом концентрация ООК внутри волокон не изменяется. Перенос ООК в волокна нитей х/б ткани осуществляется при непрерывной подаче (поток jV) ее из форсунок (с расходом, vF м3/(м2·с)) с концентрацией ООК в СМС C0 (кг/м3). ООК, попадая на х/б ткань, смешивается с уже имеющейся на ткани водой и ее концентрация в межнитиевом пространстве х/б ткани составит CV (кг/м3). Перераспределение ООК в х/б ткани при ее нанесении принимается мгновенным.

ООК в межнитиевом пространстве (с концентрацией CV) включает в себя компоненты ООК в растворенном состоянии. Вглубь нитей компоненты ООК переносятся в растворенном виде. ООК из межнитиевого пространства к поверхности нити переносится диффузионным потоком (поток jfib_S) (рис. 2), далее в микропоры нити х/б ткани – за счет диффузионного переноса (поток jS).

Рис. 2. Физическая модель процесса нанесения ООК на волокна нитей х/б ткани.

Внутри нити компоненты ООК переносятся как по поверхности волокон, так и внутри микропор (межволоконное пространство по сечению нити). При этом происходит перенос ООК из микропор на поверхность волокон, при котором формируется условие равновесия между сорбированным на поверхность волокон ООК и находящимся в межволоконном пространстве. После нанесения ООК на х/б ткань, она закрепляется внутри волокон нитей х/б ткани, далее ткань промывается водой и сушится.

Таким образом процесс отбеливания х/б тканей представляет собой совокупность следующих этапов:

1) распыл ООК в составе СМС на х/б ткань;

2) конвективный перенос ООК в межнитиевое пространство х/б ткани;

3) диффузия ООК к поверхности нити (поток jfib_S);

4) диффузия ООК в микропоры нити (поток jS);

5) удаление отработанной ООК (поток jeluz).

На основании предложенной физической модели процесса переноса ООК в волокна нитей х/б тканей математическая модель процесса переноса ООК должна в себя включать математическое описание процесса переноса ООК:

• в межнитиевом пространстве х/б ткани;
• к нитям х/б ткани;
• внутрь нитей х/б ткани к поверхности волокон.

Для описания процесса переноса ООК внутри нитей х/б ткани предложенным способом нанесения необходимо учитывать ее строение (тип ткани, геометрия волокон и нитей, способ их плетения). Нити х/б ткани рассматриваются как бесконечные цилиндры с фиксированными радиусами (Rlon и Rtrv).

Средняя концентрация ООК в х/б ткани является суперпозицией усредненных по радиусу нитей концентраций для нитей основы и утка и с учетом перекрывания нитей при плетении х/б ткани может быть рассчитана по уравнению:

; (1)

где 0,75 и 0,5 - доли поверхности нитей основы и утка при их перекрывании в плетении х/б ткани;

величины Alon и Atrv рассчитываются в зависимости от лимитирующей стадии:

для случая внешней диффузии в качестве лимитирующей стадии:

; (2)

. (3)

для случая внутренней диффузии в качестве лимитирующей стадии:

; (4)

. (5)

Использование формул (1)-(5) зависит от значений величин параметров D, и·R.

Третья глава посвящена разработке состава ООК на основе оптического отбеливателя стильбентриазинового ряда для х/б ткани. Приводятся результаты экспериментальных исследований влияния разработанной ООК на белизну х/б ткани: длительности процесса отбеливания (рис. 3), температуры процесса отбеливания (рис. 4) и накопление компонентов ООК в х/б ткани при многократном нанесении (рис. 5).

Рис. 3. Влияние на белизну х/б ткани длительности крашения ООК:

Рис. 4. Влияние на белизну х/б ткани температуры процесса нанесения ООК:

Для оценки влияния наполнителей ООК на белизну х/б ткани использовалась стандартная методика (ГОСТ 22567.11 – 82), основанная на определении прироста белизны х/б ткани при использовании отбеливающих средств. В качестве предмета исследования использовалась неотбеленная х/б ткань типа «Бязь» (100%-ный хлопок) артикул 276, изготовленная по ГОСТ 29298 – 92. В качестве основного компонента ООК использовался оптический отбеливатель стильбентриазинового ряда.

В ходе экспериментальных исследований по оценке влиянии различных наполнителей в ООК на прирост белизны волокон нитей х/б ткани, были выбраны наполнители позволяющие, увеличить белизну х/б ткани, за счет повышения: диспергируемости, выбираемости оптического отбеливателя и повышения красящей способности за счет ввода неорганических пигментов и угольных сорбентов.

В качестве наполнителей в ООК были приняты следующие соединения: соль морская (хлорид натрия (70 %), хлорид магния (11 %) и сульфат магния (5 %)), повышающая выбираемость компонентов ООК из раствора и сродство оптического отбеливателя с х/б тканью; коралл (карбонат кальция (83 %) и карбонат магния (12 %)), являющийся неорганическим пигментом; глицерин, повышающий диспергируемость компонентов ООК в воде, и активированный уголь, адсорбирующий примеси из отбеливающего раствора.

В результате экспериментальных исследований была создана ООК, в состав которой в соотношении 50:50 входят оптический отбеливатель и наполнители. При этом эффективность отбеливания была аналогична его 100 % использованию.

Состав созданной многокомпонентной ООК представлен в табл. 1 и защищен авторскими правами.

Таблица 1.

Состав оптически отбеливающей композиции

№ п/п	Компоненты ООК	Состав ООК, %
1	Оптический отбеливатель	50,00
2	Соль морская	16,64
3	Коралл	16,63
4	Глицерин	16,63
5	Активированный уголь	0,10