Интенсификация процессов пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей ультразвуковыми полями

На правах рукописи

ШИБАШОВ Антон Владимирович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРОКСИДНОГО БЕЛЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ТКАНЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ ПОЛЯМИ

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:
доктор технических наук, профессор доктор химических наук, ст.н.с.	Мельников Борис Николаевич Телегин Феликс Юрьевич
Официальные оппоненты
доктор технических наук, профессор доктор технических наук, ст.н.с.	Павутницкий Вячеслав Васильевич Пророкова Наталия Петровна
Ведущая организация:	Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина

Защита состоится «___» октября 2010 года в _____ часов 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 «___» сентября 2010 г.

Ученый секретарь совета Д 212.063.03 Шарнина Л.В.

общая характеристика работы

Актуальность темы: В условиях возрастания дефицита и удорожания энергетических и материальных ресурсов, а так же ужесточения требований к экологической чистоте производства текстильным предприятиям для получения значительного экономического эффекта необходимо внедрять инновационные технологии, позволяющие экономить сырьё, химические материалы, топливно-энергетические ресурсы, воду и ориентироваться на выпуск нового конкурентоспособного ассортимента тканей, отвечающих мировому уровню экологических, технических и эстетических требований. Изготовленные по уникальной технологии, смесовые ткани соединяют в себе отличные эксплуатационные и физико-химические свойства натуральных и синтетических волокон. Такие ткани обладают хорошей воздухопроницаемостью, формоустойчивостью, драппируемостью, обеспечивают гигроскопичность и приятные тактильные ощущения. Особенности подготовки смесовых тканей заключаются в том, что технология должна учитывать индивидуальные свойства волокон, содержание сопутствующих примесей и технологических загрязнений, а также эксплуатационное назначение. При этом необходимо выбирать такие варианты подготовки, при которых требуемый эффект достигался бы при максимальной сохранности наиболее ценных свойств индивидуальных составляющих ткани. Одним из инновационных путей решения вопроса по совершенствованию технологий подготовки современных смесовых тканей является использование ультразвуковых методов интенсификации процессов беления. Преимуществами ультразвуковых технологий являются: инициирование и ускорение протекания химических реакций, возможность сокращения времени обработки, использования нейтральных сред, снижения потребления агрессивных химических реагентов и повышения экологической чистоты технологического процесса и готовой продукции. Поэтому изучение процессов, протекающих под воздействием низкочастотных ультразвуковых волн, в пероксидных растворах и волокнообразующем полимере является весьма перспективным и актуальным с точки зрения научно-практического применения в отделочном производстве текстильной промышленности.

Цель работы заключалась в научном обосновании и создании высокоэффективной технологии пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей с использованием низкочастотных ультразвуковых волн.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научно-исследовательские задачи:

• изучение влияния ультразвуковых низкочастотных волн на пероксид водорода и его окислительную способность по отношению к текстильному материалу;
• оценка звукохимического воздействия на сопутствующие примеси и технологические загрязнения текстильного материала в процессе пероксидного беления;
• исследование влияния ультразвуковых низкочастотных волн на изменение структуры хлопкового и полиэфирного волокна смесовой ткани в процессе пероксидного беления;
• выбор рационального технологического режима и аппаратурного оформления процесса ультразвукового беления тканей различного ассортимента на оборудовании текстильных отделочных предприятий.

Общая характеристика объектов и методов исследования. Объектами исследования являлись хлопчатобумажные и хлопкополиэфирные ткани с различным процентным вложением хлопкового и полиэфирного волокна. Экспериментальные исследования осуществляли в лабораторных условиях на ультразвуковом оборудовании УЗВ-28/200 МП и ИЛ-100-6/6 с последующей проверкой результатов в производстве.

Исследования проводились с привлечением современных методов физико-химического анализа: потенциометрического, микроскопического, вискозиметрического, калориметрического, спектрофотометрического, ренгенографического. Погрешность измерений при проведении экспериментов рассчитывали с использованием методов математической статистики.

Научная новизна. Впервые на основе теоретических и экспериментальных исследований установлены закономерности влияния низкочастотных ультразвуковых волн на физико-химические процессы, протекающие в гетерогенной среде с участием твердой фазы в виде волокнистого материала.

Наиболее существенные результаты, полученные в работе:

• впервые научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования низкочастотных ультразвуковых волн в качестве интенсификатора процесса пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей;
• впервые установлена оптимальная скорость разложения пероксида водорода под действием низкочастотных ультразвуковых волн в процессе беления целлюлозосодержащих тканей;
• экспериментально выявлена взаимосвязь между кавитационными явлениями и присутствием поверхностно-активных веществ в пероксидном растворе;
• исследовано влияние низкочастотных ультразвуковых волн на окислительно-восстановительный потенциал пероксида водорода и окислительную способность его по отношению к природным и синтетическим полимерам;
• впервые изучен процесс удаления сопутствующих примесей и технологических загрязнений хлопкополиэфирной ткани за счет кавитации и окислительного действия пероксида водорода в процессе беления;
• созданы научные основы для разработки технологических схем для пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей с использованием низкочастотных ультразвуковых волн. Новизна разработанной технологии подтверждена заявкой на выдачу Патента РФ №2009146504/04 (066298), приоритет от 14.12.09.

Практическая значимость. Разработаны практические рекомендации по использованию низкочастотного ультразвукового воздействия в процессе пероксидного беления целлюлозосодержащих тканей на производственном оборудовании периодического и непрерывного действия, а так же дана количественная оценка предполагаемого положительного эффекта, который составляет 420 рублей на 1000 метров обрабатываемой ткани. Материалы диссертации могут быть использованы в лекционном курсе учебных дисциплин «Перспективное оборудование отделочного производства» и «Прогресс технологии» студентам вузов химико-технологического профиля.

Автор защищает:

• экспериментально установленную взаимосвязь между интенсивностью ультразвукового воздействия, температурно-временными параметрами беления и качественными показателями отбеленной хлопкополиэфирной ткани;
• установленные кинетические зависимости скорости разложения и изменения окислительно-восстановительного потенциала пероксида водорода в процессе беления с использованием низкочастотного ультразвукового воздействия;
• теоретически и экспериментально подтвержденную эффективность и целесообразность использования низкочастотных ультразвуковых волн для интенсификации процесса пероксидного беления тканей различного ассортимента;

Апробация работы. Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах разного уровня в 2006-2010 гг. (Международная конференция «Текстиль и химия – 2006: Волокна; красители; ТВВ; Оборудование; Приборы; Технологии», Москва 2006 г.; Международный научно-практический семинар «Физика волокнистых материалов: структура и свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX)», Иваново 2007-2010 гг.; Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль)», Москва 2008-2009 гг.; Международной научно-методической конференции «Достижения в области химической технологии и дизайна текстиля, синтеза и применения красителей», Санкт-Петербург 2009 г. и др.

Публикации. Результаты исследований, отражающих основное содержание диссертационной работы, опубликованы в 30 печатных работах, в том числе в 6 статьях перечня, рекомендованного ВАК РФ, 23 тезисах докладов научно-технических конференций и семинаров, и в материалах заявки на получение патента РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, экспериментальной части с обсуждением результатов, выводов, списка использованной литературы (131 источник) и 2-х приложений. Научная работа содержит 127 страниц машинописного текста, 24 рис., 5 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и основные задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

1. Литературный обзор

Литературный обзор состоит из двух разделов, в которых рассмотрены вопросы, касающиеся современных теоретических представлений о механизме химического и физико-химического действия кавитации и перспектив применения ультразвуковых полей для интенсификации технологических процессов.

2. Методическая часть

Описаны характеристики объектов исследования и использованного оборудования, методы оценки эффективности беления целлюлозосодержащих материалов.

3. Экспериментальная часть и обсуждение результатов

3.1. Изучение влияния ультразвуковых низкочастотных волн на пероксидные растворы

Для определения оптимальной скорости разложения пероксида водорода был проведен ряд экспериментов, в которых мощность ультразвукового излучения и длительность обработки варьировались в пределах от 1 до 5 кВт и от 0 до 40 минут соответственно. Раствор пероксида водорода концентрацией 6 г/л (100%) подвергали ультразвуковой обработке на приборе ИЛ-100-6/6.

На рисунке 1 приведена зависимость содержания пероксида водорода в растворе от времени воздействия при различных мощностях ультразвука. Из данных эксперимента видно, что при мощности ультразвука 1-2 кВт процесс разложения пероксида водорода протекает медленно, через 40 минут обработки содержание пероксида водорода в растворе составляет 26%. При увеличении мощности до 5 кВт скорость разложения резко возрастает и после 5 минут обработки содержание пероксида водорода в растворе находится на уровне 10%. Оптимальная скорость разложения пероксида водорода достигается при мощности ультразвука 3 кВт. Характер кривых показывает, что после 20 минут ультразвуковой обработки содержание пероксида водорода в растворе составляет 15%, а в дальнейшем изменяется незначительно.

Снижение содержания пероксида водорода в растворе при ультразвуковом воздействии обусловлено активирующим действием низкочастотных ультразвуковых колебаний. Предполагаем, что данный эффект связан с тем, что при нейтрализации анионов, адсорбированных на поверхности пузырька, вследствие индуцированной поляризации молекул газа внутри кавитационного пузырька образуется избыточное количество электронов. Вследствие быстрого сжатия, плотность заряда достигает значительного градиента на поверхности раздела фаз, и микрозаряды в пузырьке возникают по направлению к жидкой фазе. Пространственное разделение зарядов вблизи поверхности раздела фаз рассматривается как образование двойного электрического (ионного) слоя (рис. 2).

Молекулы воды, обладают дипольным моментом 610-30 Клм, в поверхностном молекулярном слое ориентируются отрицательным полюсом в сторону газовой фазы. За счет этого в двойном электрическом слое из ориентированных диполей создается разность потенциалов около 260 мВ. Вследствие возникновения разности потенциалов при наличии в жидкости электролитов, способных диссоциировать с образованием ионов обоих знаков (), вокруг дипольной обкладки происходит адсорбция преиму-щественно отрицательных ионов (), локальная концентрация которых на поверхности пузырька увеличена по сравнению с их концентрацией в объеме жидкости.

Для выявления температуры раствора, при которой кавитация оказывает максимальный эффект, озвучивали раствор глицерина с концентрацией 0,68М в 0,1Н растворе едкого натра. Озвучивание осуществляли на установке УЗВ-28/200 МП с интенсивностью ультразвукового воздействия 3 кВт/см2 в течение 10 минут, при температурах 20, 40, 60 и 80°С.

На рис.3 представлены ультрафиолетовые спектры растворов глицерина, озвученных при различных температурах. Анализируя спектральные кривые, можно сделать вывод, что максимальное окисление глицерина в поле ультразвуковых волн происходит при температуре 60°С. Это свидетельствует о наиболее эффективном протекании кавитационных процессов при данной температуре.

Процесс беления проходит в гетерогенной среде с участием твердой фазы в виде волокнистого материала, при этом волокнистый материал как объект осуществления процесса беления сам по себе представляет сложную по структуре и свойствам систему и является не просто средой для протекания химических процессов, а выполняет функции активного партнера, участвующего в реакции с веществами, используемыми в белении.

Было изучено влияние волокнистого материала на изменение содержания пероксида водорода при различных pH растворов в условиях ультразвуковой обработки.

На рисунке 4 представлены данные по изменению содержания пероксида водорода при рН=3, 7, 9, 12 в присутствии суровой хлопкополиэфирной ткани. Оценка результатов показывает, что волокнистый материал на характер разложения пероксида водорода в процессе беления при воздействии ультразвука не влияет. Наибольшая степень разложения пероксида водорода в присутствии хлопкополиэфирной ткани наблюдается в щелочной среде рН=12 (кривая 4). За 1 минуту обработки ультразвуком содержание пероксида водорода снижается до 18-20 %, а за 20 минут достигает 2-4 %. Такое снижение содержания пероксида водорода в растворе связано с высокой активацией его как гидроксидом натрия, так и ультразвуком. В кислой среде при рН=3 происходит уменьшение степени разложения пероксида водорода, что объясняется стабилизирующим влиянием кислоты. В нейтральной среде (рН=7) снижение содержания пероксида водорода в растворе происходит плавно за счет активации его ультразвуком и в конце обработки составляет 8-10%.

Положительный эффект увеличения капиллярности от введения ПАВ в озвучиваемый раствор, по всей вероятности, связан с изменением кавитационных процессов. Из литературных источников известно, что микронеоднородности в виде газовых микропузырьков в жидкости присутствуют всегда. Они попадают в жидкость из воздуха при понижении давления или повышения температуры, десорбции газов из пор твердых примесей. Условие механического равновесия газового микропузырька радиусом (r) в жидкости можно представить в виде: (1), где p0 -давление газа в пузырьке; pн- давление насыщенного пара; pг- гидростатическое давление. При малых размерах микропузырька раздавливающее его давление, обусловленное действием сил поверхностного натяжения, велико, поэтому весьма малые микропузырьки растворяются в жидкости. Присутствие небольших количеств поверхностно-активных веществ заметно понижает величину поверхностного натяжения () и слагаемое 2 /r в формуле (1), что способствует повышению устойчивости газовых микропузырьковых зародышей и, как следствие, увеличению их количества в жидкости. Уже при небольших интенсивностях ультразвука в жидкости образуются многочисленные пульсирующие пузырьки, что приводит к возникновению кавитационных процессов во всём объеме раствора.

Для экспериментального подтверждения теоретических предпосылок были сняты спектры поглощения исходного раствора красителя метиленового голубого и раствора красителя после озвучивания в присутствии ПАВ и без него. Концентрация красителя в растворе составляла 0,5 г/л, для снятия спектров поглощения раствора красителя метиленового голубого был использован спектрофотометр СФ-26. Обработку ультразвуком растворов красителя проводили в течение 10 минут с интенсивностью 3 кВт/см2. Характер полученных спектральных кривых (рисунок 5) показывает, что введение ПАВ в раствор красителя приводит к снижению интенсивности поглощаемого излучения по всей длине спектра, что свидетельствует о более быстром разрушении хромофорной системы красителя под действием кавитации.

Таблица 1

Влияние вида стабилизатора на скорость разложения пероксида водорода и качественные показатели ткани в процессе ультразвукового беления