Введение
полиэфирный краситель волокно
Полиэфирное волокно – синтетическое волокно, формируемое из расплава полиэтилентерефталата или его производных. Полиэтилентерефталат (ПЭТФ, ПЭТ) ? термопластик, наиболее распространённый представитель класса полиэфиров, известен под разными фирменными названиями: полиэфир, лавсан или полиэстер [1].
Исследования по полиэтилентерефталату и полиэфирным волокнам были начаты в Великобритании Уинфилдом (J.R. Whinfield) и Диксоном (G.T. Dickson), работавшими в это время в фирме Calico Printers Association Ltd, в период, начиная с 1935 г. Заявки на основополагающие патенты по синтезу волокнообразующего полиэтилентерефталата были поданы и зарегистрированы 29 июля 1941 г. и 23 августа 1943 г., но только в 1946 г. эти патенты были опубликованы.
В дальнейшем, приобретя эти патенты, фирмы Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI) и E.I. Du Pont de Nemours & Co на их основе разработали усовершенствованные технологические процессы получения полиэтилентерефталата и волокон из него. Производство полиэфирных волокон было начато в Англии (волокно терилен – 1947-1951 гг. в большом опытном масштабе и в 1953-1955 гг. в промышленном масштабе) и США (волокно дакрон – 1953-1955 гг. в промышленном масштабе).
В СССР научные исследования в области синтеза полиэтилентерефталата были начаты под руководством академика В.В. Коршака в 1949 г. в Лаборатории высокомолекулярных соединений Академии наук СССР.
В СССР полиэтилентерефталат и получаемое из него волокно называли лавсаном, в честь места разработки – ЛАборатории Высокомолекулярных Соединений Академии Наук. Аналогичные волоконные материалы, изготавливаемые в других странах, получили другие названия: терилен (Великобритания), дакрон (США), тергал (Франция), тревира (ФРГ), теторон (Япония), полиэстер, мелинекс, милар Tecapet («Текапэт») и Tecadur («Текадур» (Германия) и т.д.
Разработка промышленной технологии синтеза полиэтилентерефталата и получения волокон были развернуты во ВНИИ искусственных волокон (г. Мытищи, под Москвой) под руководством проф. Б.В. Петухова и проф. Э.М. Айзенштейна (при большом содействии проф. А.А. Конкина – зам. директора по НИР, а затем директора ВНИИВа), а в 1956 г. здесь же был начат опытный выпуск волокон лавсан [2].
Данная курсовая работа посвящена технологиям и оборудованиям процесса печатания на полиэфирной ткани дисперсным красителем.
1. Химия дисперсного красителя и технология получения полиэфирной ткани
1.1 Химия дисперсного красителя
По химическому строению дисперсные красители – главным образом, азокрасители и антрахиноновые красители, реже – стириловые, хинофталоновые красители, нитродифениламины, ароиленимидазолы, антрапиридоны. Дисперсные азокрасители обеспечивают гамму цветов от желтого до темно-синего. В основном представлены моноазокрасителями – производными 4-аминоазобензола, дающими окраски оранжевых, красных, фиолетовых, темно-синих цветов, например, алый Ж (I) и бордо 2С (II). Получение широкой цветовой гаммы достигается изменением характера и положения заместителей в молекуле. Большинство моноазокрасителей содержит (в остатке диазосоставляющей) в параположении к азогруппе NO2 -гpyппy, углубляющую цвет. Углублению цвета способствует также введение электроноакцепторных заместителей в положения 2 или 2,6 к азогруппе или электронодонорных заместителей (алкилов, алкокси- и ациламиногрупп) в остаток азосоставляющей. Электроноакцепторные заместители (CN, ОСОСН3) в алкиламиногруппах азосоставляющей, понижая основность атома N аминогруппы, приводят к повышению цвета. Гидроксиазокрасители (ОН-группа в орто- или параположении к азогруппе) применяют ограниченно для получения цветов от желтого до красного. Более яркие желтые цвета обеспечивают стириловые, хинофталоновые красители, ароиленимидазолы. Практическое значение имеет и небольшое число дисазокрасителей, преимущественно желтого и оранжевого цветов, например, желтый прочный 4К (III). К дисперсным красителям относятся моноазокрасители, содержащие первичные аминогруппы, способные диазотироваться на волокне и сочетаться с азосоставляющими (диазотирующиеся дисперсные красители), например, диазочерный С (IV). Однако, ввиду сложности крашения, эти красители используют редко, главным образом, для получения на ацетатных тканях прочных черных окрасок.
Антрахиноновые красители обеспечивают гамму красных, фиолетовых, синих и бирюзовых цветов, розовый Ж формула V) и синий К смесь соединений с основным компонентом формулы VI.
Они представлены 1-амино-4-гидроксиантрахиноном и его замещенными, которые содержат в положении 2, например, атом Вr, группы ОСН3 или ОС6Н5 и дают розовые и красные окраски; 1,4-диаминоантрахиноном и его производными, содержащими N-алкильные (или арильные), N, N-диалкильные, 5-нитро-, 2,3-дихлор- или 2-алкоксигруппы и обеспечивающими гамму цветов от красно-фиолетовых до сине-зеленых; синими красителями на основе 1,4,5,8-тетразамещенных антрахинона, содержащих группы ОН, NO2, NH2 или NHR (R – алкил, арил). Так как индивидуальные зеленые, коричневые, серые и черные дисперсные красители отсутствуют, для получения окрасок указанных цветов готовят смесовые композиции. Наиболее практическое значение имеют дисперсные красители для полиэфирного волокна. Поскольку в процессах крашения и отделки это волокно подвергается высокотемпературным обработкам, к окраскам дисперсных красителей предъявляется требование высокой устойчивости не только к свету, но и к сублимации. Светостойкость окрасок повышается при введении в молекулу дисперсного красителя электроноакцепторных заместителей, снижающих основность атома N в аминогруппе, а устойчивость к сублимации – при увеличении размера и полярности молекулы. В случае моноазокрасителей повышение устойчивости окрасок достигается введением в остаток диазосоставляющей в ортоположение к азогруппе Cl, Br, CN, в пара-положение – NO2, в параположение остатка азосоставляющей – N, N-диацетоксиэтиламино-, N-этил-N-цианоэтиламино-, N-цианоэтил-N-ацетоксиэтиламиногрупп; в ряду антрахиноновых красителей вводят, например, атомы галогена. Светостойкость окрасок зависит также от химической природы и физических свойств волокна. Окраски многих дисперсных красителей на полиамидном волокне менее светостойки, чем на ацетатном и полиэфирном. В особые группы выделяют металлсодержащие и активные дисперсные красители, предназначенные для прочного окрашивания полиамидных волокон. Металлсодержащие дисперсные красители – металлкомплeксные соединения, содержащие один атом Сr или Со на две молекулы моноазокрасителя, например, дисперсный красный СМП (VII, М – металлсодержащий, П – для полиамидных волокон).
Они превосходят обычные дисперсные красители по устойчивости окрасок к свету и мокрым обработкам, уступают по яркости и ровняющей способности. Используются преимущественно для получения темных тонов. Дисперсные активные красители сочетают хорошие ровняющие свойства дисперсных красителей с высокой устойчивостью окрасок к мокрым обработкам [3].
1.2 Технология получения полиэфирной ткани
Технологическая схема непрерывного процесса получения полиэтилентерефталата
В основу непрерывного процесса заложен принцип непрерывного прохождения реакционной массы через последовательный ряд аппаратов, остаточное давление в которых уменьшается от первых к последним [4].
Непрерывный процесс получения полиэфирного волокна в равной мере может быть осуществлен при использовании в качестве сырья как диметилтерефталата (ДМТ), так и терефталевой кислоты (ТФК) [5]. На рис. 3 приведена схема непрерывного получения полиэфирного штапельного волокна из ДМТ.
Рисунок 1.1 Непрерывная схема производства ПЭТ с прямым формованием полиэфирного волокна из расплава:
1 – емкость для приготовления катализатора; 2 – бункер ДМТ; 3 – ленточный транспортер; 4 – расплавитель ДМТ; 5 – сублиматор; 6 – насадочная колонна; 7 и 9 – конденсаторы-холодильники; 8 и 10 – сборники метанола и этиленгликоля; 11-пароэжекторный насос; 12-прядильная машина; 13 – поликонденсатор; 14 – шестеренчатый насос; 15 – форполиконденсатор; 16 – переэтерификатор; 17 – центробежный насос; 18-расходная емкость для этиленгликоля
Для проведения переэтерификации ДМТ этиленгликолем (ЭГ) используют горизонтальный каскадный реактор, который может иметь до семи реакционных зон. В этот аппарат непрерывно дозируют расплав ДМТ и смесь ЭГ с катализатором. Мольное соотношение ДМТ: ЭГ равно 1,7-1,8, то есть в данном случае количество взятого ЭГ меньше эквимольного. Температура реакционной массы на входе в переэтерификатор достигает 160-180°С, а на выходе – 245°С. Продолжительность пребывания компонентов в реакционной зоне составляет 4 ч. Поликонденсация ДГТ и олигомеров осуществляется в нескольких аппаратах (в двух или трех) специальной конструкции, которая обеспечивает создание тонкого слоя при интенсивном перемешивании расплава и минимальное время пребывания полимера в зоне реакции.
Для получения штапельного волокна требуется ПЭТ со средней молекулярной массой (22000-25000), поэтому в данную схем (рис. 3) включено только два аппарата поликонденсации. При предварительной поликонденсации в первом аппарате поддерживается невысокий вакуум (остаточное давление 3,3-6,6 кПа и температура 265-270°С). Продолжительность пребывания продукта в аппарате около 2 ч. Окончательная поликонденсация протекает во втором реакторе при 275-280°С и вакууме 0,066-0,133 кПа. Готовый расплав выгружается из аппарата с помощью вертикального шнека или шестеренчатого насоса и транспортируется в течение 8-10 мин по обогреваемому расплавопроводу к прядильной машине. В этот момент в полимер вводят различные добавки, а также матирующие (двуокись титана) и окрашивающие агенты.
Для полноты завершенности реакции переэтерификации важно иметь большой избыток этиленгликоля [4], но это вызывает увеличение количества побочного продукта – диэтиленгликоля и ухудшение цвета расплава.
Непрерывный процесс получения полиэтилентерефталата (ПЭТ) и нитей на его основе имеет следующие преимущества [5]: отпадает необходимость в применении громоздких загрузочных бункеров, сложных и энергоемких плавильных устройств, достигается возможность переработки ПЭТ практически любой молекулярной массы, поскольку не требуется повторного плавления полимера.
Непрерывный способ более перспективен и экономичен [11]: его применение позволяет снизить себестоимость волокна на ~ 10% при использовании в качестве исходного сырья диметилтерефталата и на ~ 20% при использовании терефталевой кислоты [4].
Формование полиэфирного волокна
При прямом формовании полиэфирных нитей расплав подается непосредственно на прядильные блоки (головки) [5]. Для ускорения процесса затвердевания струек расплава и охлаждения нити последнюю обдувают холодным воздухом в направлении перпендикулярном (боковом, аналогично применяемому для полиамидных волокон) (рис. 4, а) или радиальном (рис. 4, б) к оси волокна.
Рисунок 1.2 Схемы обдувочных устройств:
а – поперечная обдувка: 1 – фильерный комплект; 2 – боковая распределительная сетка; 3 – обдувочная шахта; 4 – пучок нитей; 5 – направляющее устройство; 6 – сопроводительная шахта;
б – радиальная обдувка: 1 – фильера; 2 – пучок нитей; 3 – распределительная решетка; 4 – направляющие ролики; 5 – трубопровод для подачи воздуха; 6 – ротаметр; 7 – воздушная камера.
Радиальная обдувка, осуществляемая с внешней или с внутренней стороны пучка нитей, способствует получению свежесформованной нити с высокой равномерностью структурно-механических свойств, особенно при формовании волокна из фильер с количеством отверстий 500 и выше. При формовании технической нити и волокна, где применяют фильеры с большим числом отверстий, на каждую фильеру устанавливают индивидуальную обдувочную шахту.
Применение эффективных методов охлаждения полиэфирных нитей позволяет сократить расстояние от фильеры до приемного механизма до 2,5-3,0 м [4]. На этом пути на нить наносят замасливающие препараты, снимающие электростатические заряды и обеспечивающие компактность и гладкость нити при последующих операциях.
Для приема нити применяют стандартные намоточные машины с тянущими дисками или без них – с прямой намоткой на бобину.
Схемы двух возможных вариантов заправки нитей на намоточных машинах приведены на рис. 5.
Рисунок 1.3 Варианты заправки полиэфирных нитей на намоточных машинах:
а – с тянущими дисками; б – бездисковая схема
Бездисковая схема намоточной машины имеет определенные преимущества. Нить, наматываемая на шпулю, при перемещении нитераскладчика растягивается по отношению к исходному состоянию на величину, равную 100·%, которая определяется углом и между вертикалью и направлением нити в момент ее наматывания на торец прядильной паковки. Естественно, что схема б обеспечивает уменьшение угла и и тем самым получение более равномерной нити по двойному лучепреломлению и линейной плотности. Угол и может быть еще более уменьшен установкой замасливающего ролика на максимально возможной высоте, на расстоянии 1,2-1,5 м от зеркала фильеры. Бездисковая схема намотки упрощает конструкцию машины. Перезаправка нити в этом случае производится с помощью пневмопистолета в течение 6-8 с.
Обычная скорость намотки составляет 400-600 м/мин при производстве нитей линейной плотности 111 текс, 800-900 м/мин – для нитей 28 текс и до 1700-2000 м/мин при выпуске нитей 4-5 текс.
2. Технология процесса печатания дисперсным красителем на полиэфирной ткани
2.1 Предварительная подготовка полиэфирной ткани
При подготовке полиэфирной ткани необходимо удалить замасливатели, шлихту и случайные загрязнения. Так как при замасливании и шлихтовании обычно применяют водорастворимые материалы, то они могут быть сравнительно легко удалены промывкой тканей с помощью синтетических моющих средств при 60-100°C в течение 30 мин.
При необходимости полиэфирную ткань отбеливают действием диоксохлората натрия, который не разрушает эти полимеры. Беление осуществляют при рН 4,0-4,5 и 90-95°С B течение 30 мин.
Полиэфирное волокно в условиях эксплуатации, например при стирке, может дать значительную усадку из-за наличия внутренних напряжений в волокнах. В связи с этим при подготовке изделий из синтетических и триацетатных волокон особое место занимает процесс термообработки для стабилизации линейных размеров и формы изделий из таких волокон.
Термостабилизация включает нагревание ткани или любого другого изделия из синтетических волокон в натянутом состоянии до требуемой температуры и последующее быстрое охлаждение материала. При этом происходит разрыв межмолекулярных (водородных и других) связей, вследствие чего ликвидируются внутренние остаточные напряжения в волокнах. Под действием внешней нагрузки макромолекулы полимера занимают положения, соответствующие ненапряженному релаксированному состоянию волокон. В момент быстрого охлаждения текстильного материала это новое расположение макромолекул полимера фиксируется вследствие повторного образования межмолекулярных связей. Верхний предел температуры термостабилизации ограничивается температурой размягчения того или иного синтетического волокна, а нижний-определяется минимальной энергией, необходимой для обратимого разрушения межмолекулярных связей. Диапазон допустимых температур
зависит также от среды, в которой проводится термостабилизация. Обычно ее осуществляют горячим воздухом. В этом случае оптимальная температура термофиксации для изделий из полиамидных волокон составляет 190-200°C; для полиэфирных и триацетатных материалов она равна 210-220°С; длительность процесса не превышает 60-90 с.
2.2 Технология печатания
Различают три вида печатания: 1) прямая печать, когда печатную краску наносят на белую ткань; при этом получают либо так называемые белоземельные рисунки с малой площадью покрытия поверхности белой ткани, либо грунтовые рисунки, когда большая часть или вся поверхность ткани покрывается печатной краской; 2) вытравная печать, когда на предварительно окрашенную ткань наносят вытравной печатный состав; в условиях последующего запаривания на напечатанных местах происходит разрушение окраски и получаются на окрашенной ткани белые узоры, если вытравной состав не содержит красителя, или цветные узоры при наличии в составе вытравной печатной краски неразрушающегося красящего вещества; 3) резервная печать осуществляется путем нанесения на белую ткань специального печатного состава (резерва), после чего она поступает на крашение; при этом краситель фиксируется на всей ткани, за исключением тех мест, на которые нанесен резервирующий состав, препятствующий выбиранию красителя из красильной ванны и фиксированию его волокном; таким путем можно получить цветные или белые узоры в зависимости от того, содержит или не содержит резервирующий состав красящее вещество.
В процессах печатания осуществляется локальное окрашивание определенных участков ткани в соответствии с заранее заданным рисунком. Для того чтобы наносимый на ткань красильный раствор не растекался за контуры рисунка, в состав раствора обычно вносят загустители. Роль таких препаратов выполняют различные высокомолекулярные вещества: крахмал и его эфиры, эфиры целлюлозы, синтетические полимеры с низкой степенью сшивки; продукты, извлекаемые из водорослей, например альгинат натрия, и т.д. В присутствии этих веществ раствор красителя становится достаточно вязким и хорошо отделяется от гравюры печатного вала или легко продавливается через сетчатый шаблон и устойчиво сохраняет на ткани форму заданного рисунка.
Основные физико-химические закономерности, определяющие состояние красителей и волокнистых материалов, а также их взаимодействие, рассмотренные ранее применительно к процессам крашения, сохраняют свою значимость и для процессов печатания. Однако наличие в составе печатной краски загустителей накладывает специфические особенности на все физико-химические стадии процесса образования рисунка на ткани. В отличие от процессов крашения при печатании тканей стадия диффузии молекул красителя в растворе и накопления их на поверхности волокна утрачивает свое практическое значение.
Краситель приходит в контакт с поверхностью волокна сразу же после нанесения на ткань печатного состава. Однако такое упрощение физико-химической картины процесса является кажущимся, так как, во-первых, молекулы красителя в зависимости от его химической природы и строения более или менее прочно удерживаются макромолекулами загустителя, что препятствует диффузии красителя в волокно, и, во-вторых, ткань после нанесения на нее печатной краски высушивают, что практически прекращает процесс диффузии красителя в волокне.
Происходит разрыв единого физико-химического цикла накопления красителя на поверхности волокна и перемещения его во внутренние слои, где молекулы красителя фиксируются в результате реакции с функциональными группами волокнообразующего полимера или путем превращения в нерастворимую форму.
В высушенной ткани молекулы красителя «цементируются» в пленке загустителя, и для того чтобы процесс диффузии возобновился, эту пленку необходимо размягчить. Это достигается длительным запариванием ткани в атмосфере насыщенного водяного пара или прогреванием при высокой температуре. Если в печатном составе присутствуют расплавляющиеся вещества, пластифицирующие пленку загустителя и являющиеся в расплавленном состоянии средой для проникновения красителя внутрь волокна.
В настоящее время еще не разработаны прямые методы оценки характера и результатов взаимодействия красителей с различными загустителями. Предложен косвенный метод такой оценки путем сравнения тепловых эффектов «плавления» гелей загустителей в присутствии красителя и без него.
Метод основан на том, что часть молекул красителя взаимодействует с макромолекулами загустителя и образует между ними поперечные мостики, в результате чего изменяется теплота плавления гелей загустителей. Подразумевается, что речь идет об обратимых взаимодействиях и об образовании только таких поперечных мостиков или продуктов присоединения красителя к макромолекулам загустителя, которые сравнительно легко разрушаются в тот момент, когда необходимо высвободить молекулы красителя из макромолекулярной сетки загустителя и предоставить ему возможность диффундировать в волокно. Загустители, образующие с красителем прочные ковалентные связи, непригодны для загущения печатных красок при использовании обычных способов печатания.
Для загустки без красителя ?Нпл составляет всего 5,7 кДж/моль. Это свидетельствует о том, что пространственная сетка в водных гелях загустителей образуется в результате слабого взаимодействия между их макромолекулами, вероятнее всего посредством сил Ван-дер-Ваальса. Введение в загустку красителя сопровождается повышением ?Нпл до 22,3 кДж/моль и внешне проявляется в резком увеличении вязкости раствора.
Это дает основание полагать, что при взаимолействии красителя с макромолекулами загустителя образуются мостики из водородных связей, средняя энергия которых составляет 21,0 – 29,0 кДж/моль.
Повышение концентрации красителя в загустке сопровождается упрочнением ее структуры, но значение ?Нпл остается практически постоянным. Это означает, что несмотря на рост числа мостиков, образуемых красителем, средняя энергия возникновения одной мостиковой группировки не меняется. Таким образом, концентрация красителя здесь влияет лишь на число образующихся мостиков, но не на их строение.
Наибольшей склонностью к взаимодействию с растворимыми в воде красителями анионного типа обладают такие загустители, в молекулах которых отсутствуют одноименно заряженные группы. Загустители с упорядоченным расположением карбоксильных групп вдоль цепи макромолекулы, например альгинат натрия, практически не реагируют с красителями.
Четко выраженной тенденцией к взаимодействию с загустителями обладают и нерастворимые в воде красители, в частности кубовые. Это подтверждается тем, что при наличии их в составе загустки резко возрастают ее вязкость и нагрузка, при которой наблюдается пластическое течение загустки (Рт). Последняя величина характеризует суммарный эффект структурирования загустки и определяется как средней прочностью отдельной мостиковой связи, так и их общим числом.
Интересно отметить, что при введении мочевины и других аналогичных веществ в загущенный раствор того или иного красителя ?Нпл практически не изменяется, а Pт, резко падает.
Это означает, что мочевина не влияет на природу мостиковых групп, образующихся между макромолекулами загустителя, но ее наличие в печатной краске приводит к разрыву части поперечных водородных связей и высвобождению макромолекул загустителя и красителя из образованных ими ранее сеток. Это снижает вязкость системы и значение Рт. Таким образом, мочевина и подобные ей препараты являются очень эффективными регуляторами взаимодействия красителей с загустителями и поэтому широко используются при приготовлении печатных красок.
Вследствие лабильного взаимодействия макромолекул загустителя с красителем скорость диффузии его в волокнистый материал при печатании гораздо меньше, чем при крашении. В ряде случаев разница в скоростях диффузии красителя в процессах крашения и печатания может быть существенно сокращена путем выбора соответствующего загустителя и способа фиксирования красителя в волокне.
Фиксация красителей, т.е. процесс переноса их из слоя печатной краски в волокно и взаимодействия с макромолекулами волокнообразующего полимера, традиционно осуществляется в среде водяного пара путем длительной (от 10 до 60 мин) обработки напечатанной ткани в запарных аппаратах непрерывного или периодического действия. В последнее время начали развиваться принципиально новые приемы и способы фиксирования красителей различных классов на текстильных материалах из природных и химических волокон. Из них в первую очередь следует назвать высокотемпературные способы фиксирования красителей на целлюлозных и синтетических волокнах и способы, основанные на применении вместо паров воды паров органических растворителей или паров азеотропной смеси органических растворителей и воды.
Особенностью процесса термической фиксации красителей является отсутствие молекул воды в реакционной среде. Поэтому диффузия красителя и взаимодействие его с волокном могут протекать только в слое расплавленных веществ, в качестве которых чаще всего выступает мочевина или амиды других карбоновых кислот, а также некоторые специальные препараты.
При повышенной температуре в отсутствие влаги расплав этих веществ, с одной стороны, обеспечивает высокую диффузионную подвижность сольватированных молекул красителя, а с другой‚ активирует волокнистый материал, повышая реакционную способность функциональных групп H способствуя появлению субмикроскопических пустот, необходимых для размещения молекул красителя.
Об эффективности способа термической фиксации можно судить по данным для красителей двух классов – активных и дисперсных. Первые широко используют при печатании тканей из целлюлозных волокон, вторые – для печатания изделий из синтетических волокон.
При термическом фиксировании активных красителей при 170°С константа скорости реакции их с целлюлозой возрастает в 100 и более раз по сравнению с запарным способом, осуществляемым в среде водяного пара при 100°С. Длительность процесса при термической фиксации составляет 60-90 с, при запаривании 5-10 мин.
В условиях термической фиксации дисперсных красителей при печатании тканей из полиэфирных волокон коэффициент диффузии красителя в волокне при 200-220°С составляет 10-8-10-9 см2/с. Если же фиксирование проводить насыщенным водяным паром при 100°C, то коэффициент диффузии красителя в полиэфирном волокне не превышает 1011-10-12 см2/с.
2.3 Печатание дисперсными красителями
Дисперсные красители широко используют для печатания тканей из полиэфирных и ацетатных волокон и, в меньшей степени, для печатания тканей из полиамидных волокон. Из большого ассортимента дисперсных красителей в печати обычно используют те красители, которые имеют относительно высокую светостойкость и устойчивы при высоких температурах.
Технологический процесс состоит из следующих стадий: нанесение на ткань печатной краски, сушка, фиксация красителя на ткани, промывка и сушка.
Состав печатной краски зависит от вида волокна, а также от способа фиксации красителя на волокне. При печатании тканей и трикотажа из полиэфирных, полиамидных и триацетатных волокон в печатную краску, содержащую водную дисперсию красителя и загуститель, вводят также интенсификаторы. В качестве интенсификаторов используют бензойную и салициловую кислоты, 2-гидроксибифенил, хлорбензол, гидроксиалкиламиды жирных кислот (0,3-2‚0% от массы ткани). Для повышения степени фиксации красителей при получении окрасок глубоких тонов в печатную краску рекомендуют вводить мочевину (80-200 г./кг печатной краски). Эффективность действия мочевины зависит от вида волокна, способа фиксации и марки дисперсного красителя.
Для предотвращения восстановления красителя под действием компонентов печатной краски в паровой атмосфере зрельника в краску вводят небольшие количества триоксохлората натрия. Поскольку многие дисперсные красители чувствительны к щелочам, в печатную краску добавляют уксусную кислоту (до рН 6). В качестве загустителей используют альгинат натрия, карбоксиметилцеллюлозу, трагант и их смеси. Для фиксации дисперсных красителей на тканях из химических волокон используют различные методы. Так, фиксацию красителей на тканях из полиамидных и ацетатных волокон чаще всего осуществляют в среде насыщенного водяного пара при 100-102°С (20-45 мин). Это обеспечивает получение на данных волокнах глубоких устойчивых окрасок. Степень фиксации дисперсных красителей на полиэфирном и триацетатном волокнах даже в условиях длительного запаривания насыщенным паром и при введении в печатную окраску интенсификаторов не превышает 50%‚ что объясняется исключительно медленной диффузией молекул красящего вещества в глубь волокна. Поэтому дисперсные красители на тканях из этих волокон часто фиксируют путем прогревания текстильного материала горячим воздухом при 180-220°С в течение 30-60 c или путем запаривания в среде перегретого пара при 165-180°С в течение 4-8 мин. При использовании высокотемпературных способов фиксации необходимо применять красители, устойчивые к сублимации [6].
В настоящее время предложен эффективный способ фиксации красителей на тканях из синтетических волокон в условиях печати путем кратковременной (1-3 мин) обработки текстильного материала в парах кипящей азеотропной смеси органического растворителя и воды. Хорошие результаты на полиэфирных и полиамидных волокнах могут быть достигнуты при обработке ткани в парах азеотропной смеси бензиловый спирт ? вода (т. кип. 95-100°С) в течение 2-3 мин. Преимуществом этой смеси является малая токсичность бензилового спирта и невысокое содержание его в смеси (9%).
Одна из основных причин эффективного действия азеотропных смесей при фиксации красителей на химических волокнах-увеличение проницаемости волокна при воздействии на него фиксирующей среды. При обработке напечатанной ткани растворитель быстро проникает B гидрофобное волокно, образуя B нем субмикроскопические поры и сольватируя активные центры на поверхности этих пор. Пары воды также не являются инертным компонентом фиксирующей смеси. Они усиливают действие растворителя и увеличивают адсорбционную емкость волокна.
Кроме того, азеотропные смеси способствуют молекулярному диспергированию и сольватации молекул красителя. Все это обеспечивает высокую скорость диффузии красящего вещества
B волокнистый материал и эффективность азеотропной фиксации в целом. В последние годы большой интерес проявляется к сублимационному способу печати тканей из химических волокон дисперсными красителями. Печатную краску сначала наносят на бумажную подложку, а затем при определенных температуре, давлении и продолжительности обработки рисунок переносится с бумаги на ткань в результате возгонки красителя с бумажной подложки. Процесс сублимации красителя протекает до перенасыщения паровой среды. После этого начинается конденсация паров красителя на поверхности ткани и его диффузия вглубь волокна.
При подборе красителей для данного способа печатания следует учитывать их способность к сублимации и устойчивость при 180-230°С. Красители должны обладать высоким сродством к волокну, обеспечивать получение окрасок с высокой устойчивостью к действию мокрых обработок и света. Этим требованиям чаще всего удовлетворяют азо-, антрахиноновые, дифениламиновые, метиновые и нафтохиноновые дисперсные красители с молекулярной массой 250-350. Сублимационная способность красителей определяется не только их молекулярной массой, но и особенностями структуры, наличием в молекуле тех или иных заместителей. В качестве заместителей цианогруппы предпочтительнее, чем нитрогруппы, и атомы фтора предпочтительнее, чем атомы хлора. Краситель не должен содержать ионогенные группы. Некопланарное строение также увеличивает летучесть красителей. Способность к сублимации красителей, содержащих полярные группы, может быть сохранена при наличии внутримолекулярных водородных связей.
Поскольку печатные краски наносят на бумагу в значительно меньших количествах, чем при печати по текстильным материалам, необходимы высококонцентрированные выпускные формы дисперсных красителей, позволяющие получать интенсивные расцветки, в том числе темных тонов.
В состав печатной краски для нанесения рисунка на переводную бумагу входят: дисперсный краситель (10%), связующее вещество (синтетические смолы, эфиры целлюлозы; 15%), растворитель (вода или органические растворители; 75%). При необходимости добавляют вещества, регулирующие адгезию бумаги к ткани во время сублимации дисперсного красителя, а также интенсификаторы, обеспечивающие более быстрый и полный переход красителя на волокно в процессе термопечати. На печатанную бумагу быстро сушат в возможно более мягких условиях.
Перенос красителя с бумаги на текстильный материал может осуществляться как периодическим, так и непрерывным способами. В последнем случае для перевода рисунка бумагу и текстильное полотно сматывают с рулонов, складывают «лицом к лицу» и пропускают по обогреваемому барабану, после чего разделяют. Для интенсификации процесса перехода красителя на ткань и проникновения его в глубь волокна рекомендуют применять перфорированные барабаны, внутри которых создается небольшой вакуум; обогрев бумаги и ткани осуществляется с помощью инфракрасных излучателей. Оптимальные параметры процесса переводной печати определяются в основном типом волокнистого материала, из которого изготовлена ткань. Так, для тканей из полиэфирных волокон оптимальные условия термопечатания: 200-230°С, 10-30 с; для полиамидных и триацетатных тканей: 190-200°С, 20 с; для тканей из ацетатных волокон: 185°С, 15-20 с.
Существенным преимуществом сублимационного способа печатания перед другими способами является исключение операций фиксации красителя, промывки и сушки напечатанных тканей, вследствие чего не загрязняется окружающая среда, экономится вода, сокращается длительность производственного процесса. С помощью данного метода удается переводить на ткани рисунки любой сложности с исключительно хорошей резкостью контуров, получать полутоновые переходы, позволяющие достигать особенно интересных эффектов печатания [7].
3. Оборудование процесса печатания
При печатании тканей вначале на них наносят печатную краску, а затем на последующих стадиях технологического процесса создают условия для выхода молекул красителей из слоя печатной краски, их диффузии и закрепления в волокне. Процессы диффузии и фиксации начинаются уже при высушивании тканей после печатания, достигают наибольшей эффективности при запаривании или других способах специальной тепловой обработки и заканчиваются иногда при осуществлении операций промывки.
Нанесение печатной краски на ткань осуществляют на печатной машине (рис. 3.1) с помощью медных валов с выгравированным на них рисунком. Печатные валы располагаются вокруг грузовика, покрытого слоем специальной ткани ? лапинга, и прижимаются к нему с помощью специального устройства. Краска наносится на печатный вал вращающейся щеткой, установленной в корыте с загущенным раствором красителя. К печатному валу по ходу вращения прижимается ровная, хорошо заточенная пластина (нож) из высококачественной стали, называемая раклей; она очищает вал от излишков краски, оставляя ее лишь в углублениях гравюры. С противоположной стороны вала устанавливают другую пластину, называемую контрраклей, которая служит для очистки печатного вала от пуха. Печатаемая ткань заправляется в машину и накладывается на чехол, под которым находится слой кирзы. Лапинг, кирза и чехол образуют на поверхности грузовика упругую прослойку, которую можно рассматривать как своеобразный печатный стол. Чехол защищает лапинг и кирзу от загрязнения избытком печатной краски, проникающей через печатаемую ткань.
Рисунок 3.1 Схема тканепечатной машины с медными гравированными валами:
1 – тканепечатный грузовик, покрытый слоем лапинг-ткани; 2 – печатные валы; 3 – ракли; 4 – вращающиеся щетки; 5 – корыта для краски; 6 – контрракли; 7 – ткань; 8 – чехол; 9 – кирза; 10 – заправочный ролик.
В настоящее время вместо печатных машин с медными гравированными валами широко применяют машины с цилиндрическими сетчатыми шаблонами (рис. 3.2). Они более совершенны по конструкции и обеспечивают получение на тканях рисунков очень высокого качества.
Получение высококачественного отпечатка на ткани обусловливается также реологическими свойствами печатной краски, что в свою очередь определяется выбором загустителей, вспомогательных веществ и других препаратов, входящих в состав печатных красок.
Рисунок 3.2. Схема тканепечатной машины с цилиндрическими сетчатыми шаблонами:
1 – кирза; 2 – ткань; 3 – заправочный ролик; 4 – цилиндрический сетчатый шаблон; 5 – ракля; 6 – печатная краска.
Хорошими свойствами печатные краски обладают только тогда, когда загустители отвечают ряду требований:
· обеспечивают заданную консистенцию печатной краски, соответствующую принятой технологии печатания и свойствам печатаемой ткани;
· обладают определенным комплексом свойств: клейкостью, структурированностью, пластичностью;
· эффективно удерживают краситель в момент нанесения рисунка на ткань, обеспечивая получение четких контуров отпечатка, и минимально тормозят процесс перехода красителя из печатной краски в волокно на стадии тепловой обработки напечатанной ткани при фиксировании красителя;
· легко вымываются из ткани по окончании процесса печатания.
В отдельных случаях загустители должны удовлетворять ряду специфических требований. Например, при использовании активных красителей загустители не должны реагировать с ними с образованием ковалентных связей. При печатании кубовыми красителями по двухфазному способу загустки должны коагулировать при действии концентрированных щелочных проявительных растворов. Загустители для печатания пигментами не должны взаимодействовать со связующими препаратами, предназначенными для фиксирования пигментов на волокне [8].
В качестве загустителей широко применяют крахмал и продукты его частичного гидролиза, а также альгинат натрия и некоторые другие продукты, получаемые при переработке морских водорослей. Хорошие результаты дает использование эфиров крахмала и эфиров целлюлозы, например карбоксиметилкрахмала (КМК) и карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) (n = 350-500; степень этерификации 70-90).
Из синтетических продуктов в качестве загустителей используют поливиниловый спирт [?СН2СН(ОН)?]n и полиакриламид [?CH2CH(CONH2)?] n. Наиболее перспективными являются «редкосшитые» полиэлектролиты, синтезируемые на основе б-ненасыщенных карбоновых кислот (акриловой, метакриловой, итаконовой, винилсульфоновой)‚ а также малеинового ангидрида. Получаемые из этих мономеров полиэлектролитные загустители содержат ионогенные группы, способствующие набуханию и растворению полимеров, а наличие редких «сшивок» между макромолекулами обусловливает их асимметричность и способствует достижению высокого загущающего эффекта при незначительном содержании загустителя в растворе. Подобные загустители пригодны при печатании красителями различных классов.
Весьма перспективными являются загустители на основе биомассы, получаемой из парафинов нефти. Реологические и печатно-технические свойства таких загусток соответствуют свойствам крахмальных загусток; их применение позволит сократить расход пищевого сырья.
Некоторое распространение, в частности при печатании тканей пигментами, получили эмульсионные загустки, представляющие собой эмульсии типа «масло в воде» и «вода в масле». В качестве гидрофобной составляющей такой эмульсионной загустки используют некоторые сорта бензина, например уайт-спирит, или минеральные масла. Для их эмульгирования в воде применяют эмульгаторы неионогенного типа.
Особое место занимают пенные загустки. В качестве основных компонентов при получении устойчивых пенных загусток с нужными свойствами используют карбоксиметилцеллюлозу, полиакриламид, стеарокс (продукт конденсации стеариновой кислоты с этиленоксидом) и другие высокомолекулярные соединения. В смеси с моногидроксиэтиламидами жирных кислот C10-C16 и при очень интенсивном перемешивании они образуют густые пены, пригодные для загущения растворов красителей или высокодисперсных суспензий пигментов.
Для печатания целесообразно применять красители, дающие наиболее прочные и яркие окраски (кубовые‚ активные, нерастворимые азокрасители, пигменты и некоторые другие). В наибольших объемах печатание производят по хлопчатобумажным и вискозным штапельным тканям.
Для получения расцветок насыщенных тонов обычно готовят концентрированную печатную краску. Для окраски в более светлые тона концентрированную краску разбавляют той же загусткой, которая входит в ее состав и содержит все компоненты кроме красителя. Таким путем получают печатные краски требуемой консистенции, но с меньшим содержанием красителя. Степень разбавления отмечается дробью (1/2, 1/3‚ 1/4 H т.д.), числитель которой означает число массовых частей концентрированной краски, а знаменатель-число частей загустки (разбавителя) [9].
4. Расчет расхода химических материалов в процессе печатания
Задача: Определить расход и норму расхода 40%-ного дисперсного зеленого СВ на печатание 25 000 м хлопчатобумажной ткани рисунка II группы, норма расхода краски 25 г./м. Содержание красителя в печатной краске купюра 2/5 25 г./кг. Ширина ткани 1 м.
Решение:
1. Определяем расход красителя на печатание 25 000 м ткани по формуле:
где – расход краски на печатание партии материала, кг; – длина партии материала, м; Qo – норма расхода печатной краски (табличные данные), г/м; – концентрация красителя в печатной краске данного купюра, г/кг.
2. Вычисляем норму расхода красителя при печатании данного рисунка:
где – норма расхода химичесмкого материала для красителя, г/м; Qo – норма расхода печатной краски (табличные данные), г/м; – концентрация красителя в печатной краске данного купюра, г/кг.
Заключение
В настоящей работе рассмотрены процессы от начального образования полиэфирного волокна и химии дисперсного красителя, до конечного процесса печатания. Показаны и разобраны линии и аппараты на которых происходит процесс печатания на полиэфирной ткани дисперсным красителем. Так же показаны наиболее эффективные методы печатания, и с помощью каких добавок можно получить яркие и насыщенные цвета на полиэфирных тканях. Выполнен расчет расхода химических материалов в процессе печатания.
Выбранная тема несомненно актуальна в настоящее время так как полиэфирная ткань отличается от многих других повышенной прочностью и стойкостью к истиранию и что не маловажно материал обладает стойкостью к смятию и практически не теряет форму. Изделия из таких материй приятные на ощупь, легко очищаются и быстро высыхают. А силиконизированные волокна полиэфира к тому же и не вызывают аллергии.
Список литературы
1. Мельников, Б.Н.; Лифенцев, О.М.; Осминин, Е.А. Прогресс техники и технологии печатания тканей – М.: Легкая индустрия, 1980. – 264 с.
2. Мельников, Б.Н.; Виноградова Г.И. Применение красителей: учеб. пособие для вузов по спец. «Химическая технология органических красителей и промежуточных продуктов» – М.: Химия, 1986. – 240 с.
3. Петухов Б.В. Полиэфирные волокна / Б.В. Петухов. – М.: «Химия», 1976. -272 с.
4. Ряузов А.Н. Технология производства химических волокон / А.Н. Ряузов. – М.: Химия, 1980. – 448 с.
5. Энциклопедия полимеров: в 3 т. / ред. В.А. Каргин (глав. ред.) и др. Т.3; П-Я.М.: «Советская Энциклопедия», 1977. – 1152 стб.
6. Доломатова Л.А. Основы технологии химических волокон: учебное пособие / Л.А. Доломатова. – Уфа: Уфимск. Гос. Академия экономики и сервиса, 2007. – 80 с.
7. Зазулина З.А. Основы технологии химических волокон: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. / З.А. Зазулина, Т.В. Дружинина, А.А. Конкин. – М.: Химия, 1985. – 304 с.
8. Энциклопедия полимеров: в 3 т. / ред. В.А. Каргин (глав. ред.) и др. Т.3; П-Я.М.: «Советская Энциклопедия», 1977. – 1152 стб.
9. Лаврентьева. Е.П. Полиэфирные волокна и нити в сырьевом балансе текстильной промышленности // ЛегПромБизнес. – 2007. – №1, 2,3
