Современные электрофизические методы воздействия на текстильные материалы в процессах их отделки

ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УДК 677.016

А. А. Азанова, Л. Н. Абуталипова, Я. В. Ившин

СОВРЕМЕННЫЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТЕКСТИЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПРОЦЕССАХ ИХ ОТДЕЛКИ

Ключевые слова: текстильный материал, обработка, низкотемпературная плазма.

В статье приведен обзор современных электрофизических методов воздействия на текстильные материалы в отделочном производстве: диэлектрический нагрев в электромагнитных полях высоких и сверхвысоких частот, инфракрасный нагрев, ультрафиолетовая активация, ультразвуковая обработка и обработка низкотемпературной плазмой. Рассмотрены достоинства плазменных технологий и представлена их сравнительная характеристика с традиционными жидкофазными процессами.

Keywords: textile, processing, low-temperature plasma.

The article provides an overview of modern methods of electro effects on textile materials in the production of finishing: a dielectric heat in electromagnetic fields of high and ultra-high frequency, infra-red heating, UV activation, ultrasonic treatment and processing of low-temperature plasma. The advantages ofplasma technologies and presented their comparative characteristics of traditional liquid phase processes.

Большинство технологических процессов отделки текстильных материалов основано на использовании тепловой энергии. Однако, начиная с середины прошлого века, разрабатываются и внедряются технологические процессы отделки текстильных материалов, основанные на использовании энергии электромагнитных излучений различной природы [1-6]. Электрофизические методы воздействия на текстильные материалы подразумевают

использование энергии электромагнитных излучений непосредственно для технологических целей без промежуточного преобразования ее в другие виды энергии. В большинстве случаев удается добиться не только экономии энергоносителей, но и получить новые технологические эффекты, достижение которых традиционными методами не представляется возможным [1,2]. Кроме того, появляется возможность механизации и автоматизации основных технологических процессов. Рассмотрим основные электрофизические методы воздействия на текстильные материалы, применяемые в процессах их отделки.

В России на протяжении более двух десятков лет на кафедре ХТВМ ИГХТУ ведутся работы по применению диэлектрического нагрева материалов в электромагнитных полях высоких (ВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ) [7-10]. Оба метода имеют одинаковую физическую природу: нагрев происходит в результате превращения энергии электромагнитного излучения в тепловую непосредственно внутри материала. Применение диэлектрического нагрева позволяет повысить качество обработки и значительно сократить продолжительность практически любого традиционного теплового процесса [10]. Практически для всех исследованных процессов,

традиционно предполаг^щих промежуточную сушку материала после пропитки рабочим раствором, при обработке в ВЧ-поле данная операция исключается. Сушка материала и основной процесс протекают одновременно, причем, влага порой играет решающую роль в достижении необходимого технологического эффекта [11]. На сегодняшний день разработаны технологические процессы подготовки, крашения и заключительной отделки целлюлозосодержащих текстильных материалов с использованием электромагнитного ВЧ и СВЧ излучения [9,10, 1215]. Например, в работе [10] предлагается фиксация на целлюлозосодержащих тканях активных бифункциональных красителей. По сравнению с традиционной технологией, такая обработка позволяет сократить продолжительность процесса фиксации до 6-8 секунд, а концентрацию красителя в красильной ванне в среднем на 20% при одновременном сохранении свойств текстильного материала.

Инфракрасный (ИК) нагрев в текстильной промышленности может применяться на разных стадиях технологического процесса. Способ базируется на способности материала поглощать определенную часть спектра ИК излучения. Данный способ позволяет интенсифицировать

теплообменные процессы в среднем в 2-3 раза [1,16]. Благодаря быстрому и равномерному прогреву ткани при активации перекисного беления ИК лучами удается добиться меньшего снижения степени полимеризации целлюлозы, чем при запаривании. Продолжительность процесса фиксации активных красителей на хлопковом волокне с использованием ИК излучения сокращается до 5 - 12 с [17]. При применении данного метода общая продолжительность воздействия высоких температур на текстильный

материал снижается, что благоприятно сказывается на их потребительских свойствах [1]. К сожалению, несмотря на перечисленные достоинства ИК-нагрева, не всегда удается добиться требуемого эффекта завершения заданной операции вследствие недостаточного времени пребывания ткани в тепловом поле [18].

Фотохимическая (ультрафиолетовая (УФ)) активация также демонстрирует эффективность в процессах отделки хлопчатобумажных текстильных материалов. Фотохимические процессы, которые нашли применение в промышленности, базируются на использовании УФ-излучения с диапазоном длин волн от 200 нм до 700 нм. Явление фотодеструкции может стать основой для осуществления процесса беления тканей, в которых происходит разрушение и обесцвечивание хромофорной системы волокна. УФ-обработка позволяет сократить процесс беления как минимум в два раза и отказаться от использования пара по сравнению с традиционной технологией при незначительном ухудшении качественных показателей готовых тканей [1,19]. Кроме этого, УФ излучение применяется и при колорировании хлопчатобумажных тканей, а так же при их заключительной отделке

(фотополимеризация аппретов). Несмотря на ряд преимуществ УФ облучения, эти процессы все же не находят широкого применения в промышленности, что связано с увеличением степени повреждения целлюлозы при фотохимической активации материала [20].

Технологические процессы, реализуемые ультразвуковыми (УЗ) установками, основаны на использовании механических колебаний УЗ частоты от 18 до 50 кГц. В текстильном производстве применение УЗ сводится к интенсификации процессов пропитки волокнистого материала различными технологическими составами, а также активации процессов промывки тканей [1,21-23]. Использование УЗ обработки в предварительной отделке хлопчатобумажных тканей позволяет ускорить тепломассообменные процессы, активировать пероксид водорода, инициировать и ускорить протекание химических реакций и процессов деструкции нецеллюлозных примесей, исключая при этом одну из стадий двухстадийного беления [24,25]. Также во многих случаях удается заменить двухразовую пропитку материала рабочими составами на одноразовую, с одновременной ликвидацией промежуточной сушки [1].

С учетом несомненных преимуществ электрофизических методов воздействия на текстильные материалы, при выборе наиболее эффективного варианта приходится решать сложную задачу, включающую технические, технологические и экономические аспекты. Одним из наиболее эффективных и перспективных методов обработки, способных охватить эти задачи, является низкотемпературная плазма.

Под плазмой понимают квазинейтральную среду, содержащую положительно и отрицательно заряженные частицы [26]. Плазма, используемая в

технологических целях, представляет собой частично ионизованный газ (степень ионизации менее 10-4). Частицы плазмы, разнообразные по химической активности, энергии и проникающей способности, попадая на материал, вызывают разнообразные физические и химические процессы, что позволяет придавать обрабатываемому материалу необходимые свойства.

Интерес к низкотемпературной плазме, как к инструменту модификации текстильных материалов, ученые начали проявлять уже более полувека назад. Начиная с 1970-х годов в печати появляется большое количество публикаций с результатами экспериментальных исследований различных волокнистых материалов

низкотемпературной плазмой, которые давали многообещающие результаты. Уже в течение почти 30-и лет отечественные и зарубежные производители плазменного оборудования предлагают промышленные установки для обработки текстиля [27-30]. Однако, несмотря на существенные достоинства, продемонстрированные опытными образцами в лабораторных и промышленных условиях, плазменные технологии все же не оказывают существенного влияния на текстильное отделочное производство. Для отечественной текстильной отрасли это, прежде всего, связано не столько с медленным развитием плазменного машиностроения и технологий, а сколько со сложным экономическим положением текстильных предприятий. Вместе с тем, в промышленных масштабах плазменные технологии успешно находят практическое применение во многих странах: Италии, Японии, Германии, Франции, Китае, в том числе и России. Учитывая возможности воздействия плазмы на текстильный материал и то, что плазменные технологии являются экологически чистыми, их можно назвать уникальным инструментом обработки материалов, обладающим высоким потенциалом для текстильного производства, как с научной, так и с практической точки зрения [28-30].

В основу плазменной модификации текстильных материалов положен ряд физико-химических процессов, природа которых в значительной степени зависит как от состава газовой фазы разряда, так и от структуры и состава обрабатываемого материала:

- травление поверхности - удаление полимерного с лоя заданно й толщины, приводящее к уменьшению массы полимера и образованию летучих продуктов деструкции;

- выращивание или осаждение на поверхности слоя с заданными свойствами (плазменная полимеризация или металлизация). Прививка очень тонких слоев полимеров различной химической природы, позволяет полностью изменить поверхностные характеристики материала-подложки [30,31];

- изменение состава функциональных групп и структуры поверхности для придания им желаемых свойств [31].

Следует сказать, что при воздействии плазмы часто происходят одновременно все перечисленные

физико-химические процессы и в различных сочетаниях.

Все виды плазмы, используемой для модификации текстильных материалов можно разделить на две большие группы - плазму атмосферного и низкого давления (вакуумная плазма). Основным преимуществом плазмы атмосферного давления, несомненно, является потенциально возможно высокая скорость процесса и также относительно невысокая стоимость оборудования. С другой стороны, по сравнению с ней, плазма низкого давления характеризуется гибкостью, легкостью управления процессом, воспроизводимостью эффектов и легкой адаптацией к новым материалам [27,29]: легко осуществить подачу другого плазмообразующего газа в вакуумную камеру и провести процесс в другом направлении [28, 30]. Существуют и другие факторы, доказывающие преимущество применения плазмы пониженного давления - отсутствие необходимости утилизации озона и окислов азота из рабочей зоны, относительно низкие применяемые напряжения, устойчивость эффекта во времени. Опыт многих исследователей [29,33,35] показывает, что при аналогичной мощности интенсивность обработки текстильных материалов в плазме пониженного давления выше, чем в плазме атмосферного давления. Время жизни активных частиц в плазме пониженного давления выше, чем в плазме атмосферного давления. Активные частицы (например, атомарный кислород) в вакууме успевают диффундировать внутрь структуры текстильного материала. В плазме атмосферного давления обработке подвергается, в основном, очень тонкий поверхностный слой. Результаты обработки в плазме атмосферного давления чувствительны к влажности окружающей среды, а также, в еще большей степени, к влажности самого материала. Влажность тканей может меняться от периферии полотна к центру. В плазме пониженного давления обрабатывается обезгаженный материал, что позволяет добиться более высокой равномерности и, таким образом, равномерность обработки в этом случае выше [29].

Влиянию плазменной обработки на свойства текстильных материалов, в том числе на различных стадиях технологического процесса посвящено большое количество работ [36-43]. В значительной части исследований рассмотрен эффект повышения накрашиваемости текстильных материалов после плазменной обработки [36,38,41]. В ряде работ отмечается применение плазменной «очистки» текстильных материалов, вызванной травлением поверхности волокон [39, 42]. Скорость травления определяют интенсивность ионной бомбардировки, плотность радикалов и УФ излучение, которые зависят от формы реактора, вида разряда, типа газа и его расхода, мощности, давления [36].

В табл. 1 представлено сравнение плазменных и традиционных жидкофазных процессов обработки текстильных материалов [27].

Низкотемпературная плазма является перспективным эффективным методом обработки

текстильных материалов, который может полноправно конкурировать, а в определенных случаях и превосходить, традиционные жидкофазные процессы.

Таблица 1 - Сравнение плазменных и традиционных процессов обработки

текстильных материалов

Показатель Плазменная обработка Традиционная жидкофазная обработка

Среда Газовая Вода

Химические Газы в ограниченном Большое

вещества количестве количество

Типы Сложные и мало Простые и хорошо

реакции изученные изученные

Потребле- Для плазмы Высокое

ние энергии атмосферного давления -низкое Для вакуумной плазмы -высокое

Температура Комнатная Высокая

Тип Поверхностная Массовая или

обработки модификация (<10-20нм) или объемная модификация поверхностная обработка (>100нм), частое

капиллярно-пористых тел изменение объемных свойств

Тип Для плазмы Периодический или

процесса атмосферного давления - периодический или непрерывный Для вакуумной плазмы - периодический непрерывный

Оборудова- Сложное, Простое и хорошо

ние развивающееся. известное. Для

Одно и то же различных

оборудование может текстильных

яспользоваться для всех материалов

текстильных материалов требуются

при различных различные

параметрах процесса процессы и оборудование

Требуемая квалифи- Высокая Стандартная

кация

Инвестици- Для плазмы Широкий диапазон

онные атмосферного давления - затрат в

затраты невысокие зависимости от

Для вакуумной плазмы - типа процесса

выше, чем для плазмы

атмосферного давления

Затраты на переработку Низкие или отсутствуют Высокие

отходов

Стоимость электроэнергии, применяемых химических препаратов, плазмообразующего газа и охлаждающей жидкости относительно низкие, и в большинстве случаев экономическая эффективность от промышленного применения плазменной обработки зависит от коэффициента использования оборудования и продолжительности

производственного цикла. Уменьшение последнего может быть достигнуто интенсификацией

традиционных процессов или исклочением

некоторых из них из технологической цепочки.

Литература

1. Б. Н. Мельников, Отделка хлопчато-бумажных тканей: справочник. Талка, Иваново, 2003, 484 с.

2. Б. М. Тараканов, Дисс. докт. техн. наук, Санкт Петербургский государственный университет технологии и дизайна, С.Петербург, 1995. 641 с.

3. A. Bonfiglio, D. De Rossi, T. Kirstein, I. Locher, F. Mameli, R. Paradiso, G. Vozzi Transactions on information technology in biomedicine, 9, 3, 319-324 (2005).

4. Б. Н. Мельников, И. Б. Блиничева, Г. И., Виноградова, Прогресс текстильной химии. Легпромбытиздат, Москва, 1988, 240 с.

5. J. C. Ion, Laser Processing of Engineering Materials: Principles, Procedure and industrial application, 2005, 471 р.

6. M-G. Bithika, А. К. Datta, Textile research journal, 70, 9, 758-762 (2000).

7. В. С. Побединский, Активирование процессов отделки текстильных материалов энергией электромагнитных волн ВЧ, СВЧ, УФ диапазонов. ИХР РАН, Иваново, 2000. 128 с.

8. Е. В. Шубина, А. Л. Никифоров, О.Г. Циркина, Изв. вуз. Технол. текстильной промышленности, 2, 55 - 57 (2003).

9. А.Л. Никифоров, Б.Н. Мельников, Текстильная промышленность, 5, 27 - 30 (2004).

10. О. Г. Циркина, М.В. Ударов, А.Л. Никифоров, В сб. Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности (Прогресс-2010) Ч. I. ИГТА, Иваново, 2010. 102 с.

11. О. Г. Циркина, А. Л. Никифоров, И.Б Блиничева, Изв. вуз. Технол.текстильной промышленности, 6,47-50

12. G. Bond, R.B. Moyes, S.D. Pollington, D.A. Whan, Chem. and Ind, 18, 686-687 (1991).

13. D. Katovic, Microwave Processes for the Combined Desizing, Scouring and Bleaching of Grey Cotton Fabrics. J.Text. Institute,1996. P. 602 - 607.

14. M. Thiry, The Magic of Microwave, Textile Chemist and Colorist-American Dyestaf Reporter 32, 10, 2-4 (2000).

15. B. Neral, S. Sostar Turk, R. Schneider, Tekstil, 56, 6, 358 - 367 (2007).

16. Пат. RU 2009289 (1992).

17. П.И. Попов В сб. ИХР РАН. - Иваново, 2001, С.301-308., 2. Е.А Попов, П.И. Тортев Высокоэффективные технологии производства и переработки льна, Вологда, 2002, 88 с.

18. Б.Н. Мельников, Прогресс текстильной химии за 50 лет. Технология текстильной промышленности, 6 (303), 33-47 (2007).

19. D. Georgiou, P. Melidis, A. Aivasidis, K. Gimouhopoulos, Degradation of azo-reactive dyes by ultraviolet radiation in the presence of hydrogen peroxide, 52, 69-78 (2002).

20. А. Е. Мирошников, М. П. Носов, В.Ф. Путятин, Изв. вуз. Технол. легкой промышленности, 4, 44 - 46 (1977).

21. С. Ю. Шибашова, О. И. Одинцова, А. С. Федоринов, Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2, 90-97 (2014).

22. A. J. Gallego-Juarez High-power ultrasonic processing: recent developments and prospective advances, 2009, 47 р.

23. C. Basto, T. Tzanov, A. Cavaco-Paulo, Ultrasonics Sonochemistry, 14, 2007 P. - 350-354.

24. С. Ю. Шибашова, В сб. Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности (Прогресс-2010) Ч. I. ИГТА, Иваново, 2010. 102 с.

25. С. Ю. Шибашова, Т. А. Кудряшова, В сб. Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности (Прогресс-2012) Ч. I. ИГТА, Иваново, 2012. С. 126-127.

26. А. М., Кутепов, А. Г. Захаров, А. И. Максимов, В. А. Титов, Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 1,104 (2002).

27. Edited by R. Shisho, Plasma technologies for textiles. England, 2007. 322с.

28. Р. Оулет, М. Б. Барбье, Технологическое применение НТП. Энерголитиздат, 1983. 144с.

29. Б. Л. Горберг. Текстильная химия,1 (21), 59-68 (2003).

30. И. Ш. Абдуллин, Л. Н. Абуталипова, В. С. Желтухин, И.В. Красина, Высокочастотная плазменная обработка в динамическом вакууме капиллярно-пористых материалов. Теория и практика применения: монография. Казанск. ун-т, Казань, 2004. 428с.

31. В. В. Рыбкин Соросовский образовательный журнал, 6,3, 58-63 (2000).

32. А. Б. Гильман, В. К. Потапов, Прикладная физика, 34, 14-22 (1995).

33. А. М. Кутепов, А. Г. Захаров, А. И. Максимов, Вакуумно-плазменное и плазменно-растворное модифицирование полимерныхматериалов, Наука, 2004. 370 с.

34. А. М. Ефремов, В уч.пос. Вакуумно-плазменные процессы и технологии. ГОУВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т, Иваново, 2006, 260 с.

35. H. Kersten, H. Deutsch, H. Steffen, G. M. W. Kroesen, R. Hippler, The energy balance at substrate surfaces during plasma processing, 63, 385-431(2001).

36. Б.Н. Мельников, С.В. Федосов, Л.В. Шарнина, М.В. Акулова, Применение тлеющего разряда в текстильной и строительной промышленности: монография. ИГХТУ, Иваново, 2008. 232 с.

37. M. Keller, A. Ritter, P. Reimann, V. Thommen, A. Fischer, D. Hegemann, Comparative study of plasma-induced and wet-chemical cleaning of synthetic fi bers' Surf Coat Technol, 2005, p.1045-1050.

38. C. R. Raje, R. M. Gurjar, S. R. Kawlekar, Low temperature plasma treatment of cotton fabrics. Raje C R, Colourage, 2004. P. 39-42.

39. Е.В. Панкратова, С.Ф. Садова, Изв. вуз. Технол. текстильной промышленности, 6, 61-64 (2007).

40. L. Andreozzi, V. Castelvetro, C. Ciardelli, L. Leopoldo, M. Faetti, E. Faterella, F. J. Zulli, Colloid and Interface Sci., 2, 455-465 (2005).

41. E. Temmerman, C. Leys, Surface and Coat Technol, 1-4, 686-689 (2005).

42. Q. Wang, X.-R. Fan, C. L. Wang Ping, J. W. Wang, Plasma Chem. and Plasma process, 5, 399-409 (2009).

43. Melliand Textilber, Plasma-Technologie fur Funktionstextilien, 4-5, 171 (2010).

© А. А. Азанова - к.т.н., доцент каф. моды и технологии КНИГУ, azanovlar@rambler.ru; Л. Н. Абуталипова - проф. д.т.н., зав. каф. моды и технологии КНИТУ; Я. В. Ившин - проф., д.т.н., проф. каф. технологии электрохимических производств КНИГУ.

© А. А. Azanova - Ph.D., Associate Professor of the Department of Fashion and Technology KNRTU, azanovlar@rambler.ru; L. N. Abutalipova - prof. Ph.D., Head of the Department of Fashion and Technology KNRTU; Ya. V. Ivshin - prof., Ph.D., prof. of the Department of Electrochemical Production Technology KNRTU.