Химия

ХИМИЯ И ТЕКСТИЛЬ

Важное условие возрождения российской текстильной промышленности - повышение конкурентоспособности производимых ею материалов на мировом рынке за счет улучшения их качества и экологичности. И главное - ткани должны иметь доступную для населения стоимость и производиться по технологиям, минимально загрязняющим окружающую среду. Решение таких взаимосвязанных, а порой и взаимоисключающих задач путем усовершенствования технологических процессов, основанного на экстенсивном повышении параметров обработки, расширении ассортимента и увеличении концентраций химических реагентов, принципиально невозможно.

Ныне особого внимания заслуживает применение нетрадиционных для текстильщиков физико-химических методов воздействия на растворы вспомогательных препаратов и красителей, способов регулирования процессов тепло- и массопереноса в текстильных материалах, обеспечивающих улучшение технологических и потребительских свойств продукции и интенсификацию процессов отделочного производства. В этом направлении плодотворно работают ученые города Иванове, чему в немалой степени способствовало сложившееся здесь удачное объединение академической, вузовской и отраслевой науки. Практический результат их деятельности - 168 машин и линий, реализующих новые технологии на 50 предприятиях России и СНГ и двух предприятиях в Италии (защищены 43 авторскими свидетельствами и патентами).

Природные волокнистые материалы (хлопок, лен, шерсть) содержат от 6 до 25% примесей (воскообразные, пектиновые, азотсодержащие, красящие вещества, растительные примеси). Они не препятствуют проведению таких механических операций, как получение из волокон пряжи, а из нее или химических нитей - ткани. Однако на этой стадии ткань, называемая суровой или неподготовленной из-за наличия воскообразных веществ, шлихты, замасливателей, практически некапиллярна, плохо смачивается и не может быть подвергнута крашению или приданию каких-либо свойств, улучшающих ее потребительские качества (несминаемость, малоусадочность и т.д.).

Данные операции, осуществляемые в отделочном производстве, основаны на разнообразных физико-химических процессах, протекающих в волокнистых материалах. Это деструкция естественных и искусственных примесей и удаление их из ткани, диффузия в глубь волокна и закрепление в нем красителей (в процессах гладкого крашения или узорчатой расцветки), нанесение на ткань специальных текстильно-вспомогательных веществ, например, для сшивки макромолекул целлюлозы, что обеспечивает ее несминаемость и безусадочность, износостойкость, негорючесть и др.

Общий недостаток ныне существующих химико-технологических процессов в отделочном производстве - необходимость применения в больших количествах химических веществ, окислителей, восстановителей, щелочи, красителей. К сожалению, их нельзя использовать полностью по прямому назначению, и значительная часть этих веществ попадает в воздух рабочей зоны, в сточные воды, зачастую оказывает негативное воздействие на технологические свойства тканей и их качество.

Исходя из вышесказанного, использование нетрадиционных для текстильной промышленности физических и физико-химических методов - задача первостепенная. Они должны способствовать улучшению технологических и потребительских свойств тканей и обрабатывающих составов, снижению экологической опасности отделочного производства и интенсификации процессов облагораживания волокнистых материалов.

Как уже отмечалось, суровые ткани отличаются низкой капиллярностью и плохой смачиваемостью, что затрудняет проникновение технологического раствора в структуру материала и отрицательно сказывается на качестве готовой продукции. Поэтому первейшим направлением работ, получившим к настоящему времени широкую промышленную реализацию, было создание технологий и оборудования для интенсификации пропитки текстильных материалов.

Нами впервые, используя специально разработанные методы, экспериментально была осуществлена сравнительная оценка эффективности различных способов интенсификации пропитки плохо смачиваемых текстильных материалов. В результате установлен активизирующий эффект кратковременного предварительного запаривания текстильного материала в ходе его пропитки. Создано несколько модификаций промышленных установок, осуществляющих предварительное запаривание плохо смачиваемых текстильных материалов перед пропиткой с учетом особенностей их обработки при отделке и крашении. Суть эффекта - в образовании вакуума в порах материала при его вхождении в пропитывающую жидкость при конденсации пара, вытеснившего воздух из пор волокнистого материала.

Различные варианты модернизированного пропиточного оборудования, не имеющего аналогов в мире, прошли широкую промышленную апробацию и внедрены в технологических процессах более чем на 30 текстильных предприятиях России и стран СНГ, причем как в виде отдельно изготовленных камер, так и в составе серийно выпускаемых объединением "Ивтекмаш" машин и линий.

В последние годы получил развитие еще один нетрадиционный способ повышения эффективности процессов жидкостной обработки плохо смачиваемых текстильных материалов, основанный на представлениях об одновременном воздействии на коллоидные системы химического и механического факторов, выражающемся в эффекте Ребиндера. Разработанная технология мерсеризации с использованием специального газодинамического узла обеспечила экономию 10 т 44%-ного раствора щелочи при обработке 1 млн. м сатина при значительном улучшении качества тканей.

Другое направление связано с интенсификацией процессов сушки и термообработки тканей при помощи инфракрасного нагрева, по сравнению с конвективным позволяющего в десятки раз сократить длительность тепловой обработки тканей. Интенсифицирующее действие ИК-излучения обусловлено высокой проникающей способностью и прогревом материала по всей толщине, сокращением периода разогрева ткани, повышением реакционной способности волокнистого материала, красителей и предконденсатов термореактивных смол.

На этой основе разработан ряд конструкций машин для сушки и термообработки ткани с использованием ИК-нагрева, где применяют излучатели из кварцевой трубки с нихромовой спиралью, галогенные излучатели и нагреватели на основе жаропрочных слюдопластов. Созданные радиационно-контактная и радиационно-конвективная сушильные машины, а также установка для термообработки ткани сейчас работают на многих предприятиях России и стран СНГ.

Для облагораживания тканей и придания им новых потребительских свойств ведутся теоретические и прикладные исследования в области использования низкотемпературной плазмы. Эти работы получили признание как в России, так и за рубежом. Особенно важно, что результаты были применены для создания технологии плазменного модифицирования тканей. Пройден путь от разработки лабораторных установок до соответствующего современного промышленного оборудования. Использование его в текстильной и легкой промышленности XXI в. благодаря экологической чистоте процессов и качеству обработанных материалов очень перспективно, так как другими способами во многих случаях такого результата достичь невозможно.

Чрезвычайно интересно еще одно направление интенсификации крашения и отделки тканей - с применением магнитно-химических воздействий. Для этого использован принцип целенаправленного изменения физико-химического состояния и реакционной способности различных жидкофазных систем при обработке их неоднородным магнитным полем. На данной основе разработан магнитно-химический метод регулирования состояния растворов и расплавов, который реализован при создании новых текстильно-вспомогательных препаратов, технологий крашения и отделки тканей из целлюлозных и полиэфирных волокон. Сконструированы опытные образцы оборудования для непрерывной обработки тканей с воздействием неоднородных магнитных полей на стадиях пропитки, сушки и термообработки полотна; они уже внедрены на ряде предприятий.

Использование предлагаемых модифицированных композиций, технологий и оборудования обеспечивает снижение на 10-30% удельный расход химических материалов и в 1,3-1,5 раза энергоемкости процессов. Например, при термомагнитной обработке с применением комбинированного воздействия ИК- излучения и магнитного поля оптимальная температура фиксации отделочных препаратов снижается на 40-60 С. Наряду с экономической эффективностью необходимо отметить комплексное улучшение потребительских свойств готовой продукции благодаря уникальным эффектам инициирования изменений в системе "волокнистый материал - раствор или расплав текстильно- вспомогательных веществ и красителей".

Актуальность механохимического модифицирования природных полисахаридов обусловлена широким использованием их в различных отраслях промышленности. Причем, если за рубежом применяют только химически модифицированные полисахариды и, скажем, в США ежегодное производство модифицированных крахмалов превышает 800 тыс. т, то в России их выпускают лишь 40 тыс. т в год, а потребность в них - около 200 тыс. Разработанные в Институте химии растворов РАН механохимические технологии решают проблему модификации полисахаридов непосредственно в местах применения. Полученные новые свойства - суммарное следствие физических воздействий на водно-полимерную систему (высокоскоростных сдвиговых деформаций, механических колебаний звукового и ультразвукового диапазонов частот и кавитации) и механокатализируемых химических превращений в субстрате под действием химических реагентов. Для осуществления этих процессов сотрудники института разработали и изготовили лабораторные и промышленные аппараты роторно-импульсного типа. Экономическая целесообразность такого решения обусловлена исключением энергоемких операций выделения и сушки готового продукта. А в результате получаемые материалы в несколько раз дешевле.

На базе обобщенных данных теоретических и технологических исследований созданы энергоресурсосберегающие механохимические технологии получения шлихты и загусток из дешевого отечественного сырья (крахмала и муки). Их внедрение позволило в 2-3 раза сократить или полностью исключить расход пара, существенно снизить удельный расход загущающегося препарата, исключить экологически вредные химические расщепители, улучшить качество ошлихтованной пряжи и напечатанных тканей, а в ряде случаев заменить импортное сырье.

Технологии, разработанные нашими специалистами, открывают чрезвычайно широкие возможности для получения принципиально новых композиционных материалов с регулируемой структурой и свойствами, превосходящими по своим показателям известные зарубежные аналоги (сольвитоза, сольвитекс, присулон) и пригодные для использования не только в текстильной, но и в строительной, пищевой, бумажной и нефтеперерабатывающей промышленности.

Итак, учеными Института химии растворов РАН совместно со специалистами отраслевых и учебных институтов г. Иванове создан комплекс технологических процессов, охватывающих весь цикл облагораживания текстильных материалов: шлихтование, мерсеризацию подготовку под крашение и печать, улучшение адгезионных свойств, сушку, термофиксацию красителей и предконденсатов термореактивных смол, получение на тканях полупрозрачного кружевного эффекта, а также способы производства новых вспомогательных препаратов (шлихтующие и загущающие составы на основе механохимически- модифицированного крахмала, низкоформальдегидные отделочные препараты, стабилизаторы растворов восстановителей в процессах их изготовления и применения). Предложены инженерные методы расчета и создано оборудование для реализации разработанных технологий.

Академик А.М. КУТЕПОВ, доктор технических наук А.П. МОРЫГАНОВ, доктор химических наук А. Г. ЗАХАРОВ, Институт химии растворов РАН