Придание натуральным волокнам улучшенных физико-механических и специфических свойств

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрено влияние ряда водорастворимых полимерных растворов и композиций на основе поличетвертичной соли диметил-аллил-β-метакрилоилоксиэтиламмоний бромида на физико-механические показатели натурального волокна. И далее были рассмотрены результаты крашения натурального шерстяного волокна при модификации.

ABSTRACT

This article investigated the effect of a number of water-soluble polymer solutions and compositions based on the polyquaternary salt of dimethyl-allyl-β-methacryloyloxyethylammonium bromide on the physical and mechanical properties of natural fiber. And further, dyeing of natural woolen fiber was considered when modifying.

Ключевые слова: крашение, волокно, модификация, шерсть, краситель, облагораживание, яркость.

Keywords: dyeing, fibers, modification, wool, dye, refining, brightness

В настоящее время в ряде Азиатских стран в легкой промышленности вновь восстанавливается и развивается шерстяное производство, которое стояло на грани банкротства и находилось в состоянии кризиса, прежде всего, из-за снижения потребности и ухудшения свойств изделий из шерсти животных.

В современных условиях сохранение качества шерсти невозможно без проведения научных исследований, направленных на развитие теоретических основ и разработку ресурсосберегающих технологий производства и переработки шерсти с учетом вопросов экологии. В настоящее время в мире набирает силу кампания по борьбе за экологическую чистоту, происходит переоценка всех созданных человеком технологий с точки зрения того, какую нагрузку на природу эти технологии оказывают.

Проблема улучшения исходного природного сырья и качества продукции весьма важна в современном мире. В основе потребительской стоимости шерстяной ткани лежат ее естественные свойства. Это в равной мере относится к изделию в целом и к любым его составляющим – материалам, конструктивным особенностям.

Однако наиболее важными являются два показателя – выход пряжи из сырья и ее обрывность при прядении. Эти два показателя определяют экономику прядильного производства. Исследования показывают, что оптимизация замасливания и увлажнения позволяет повысить выход пряжи на несколько процентов и снизить ее обрывность в 1,5–2 раза. Этим определяется практическая значимость рассматриваемой проблемы.

По вопросам замасливания и увлажнения в периодической литературе, особенно в иностранной, опубликовано большое количество работ. Однако большая их часть посвящена экспериментальным исследованиям и внедрению новых замасливающих препаратов. Научно-теоретических работ очень мало, а в отечественной литературе их практически нет. Их отсутствие приводит к тому, что работники промышленности вынуждены лишь методом проб и ошибок подбирать необходимые составы компонентов, способы их приготовления и использования. Такая практика приводит зачастую к неоправданным материальным потерям.

Традиционные методы модификации текстильных материалов в основном осуществляются с применением химических веществ, что позволяет в определенной степени улучшить технологические и потребительские свойства. Традиционные методы модификации текстильных материалов осуществляются при помощи окислительной обработки, такой как хлорирование водными растворами гипохлорита натрия, газообразным хлором, хлорсодержащими органическими веществами, хлорирование в среде органических растворителей, действие перманганата, а также озона.

Добиться улучшения технологических и эксплуатационных характеристик изделий из шерстяных текстильных материалов возможно за счет модификации механических и физических свойств волокна. Достоинствами данных методов являются простота их применения и внедрения.

В связи с этим было решено изучить возможность модификации шерстяного волокна растворами полимерной композиции при равномерном распределении макромолекул полимера и его солей.

Оценку степени модификации поверхности шерстяного волокна осуществляли комплексно по следующим показателям: истинная длина, тонина, степень извитости, свойлачиваемость, разрывная нагрузка. Полученные нами результаты эксперимента сравнивались с известными теоретическими и экспериментальными данными зарубежных авторов (табл. 1).

Таблица 1.

Влияние природы модифицикатора на физико-механические свойства волокна

Так, модификация волокна полимерной композицией способствует снижению свойлачиваемости шерсти на 62 % при сохранении исходной длины, тонины и прочности волокон. По результатам эксперимента видно, что модификация приводит к сохранению прочности волокна при разрывной нагрузке.

Ниже рассмотрены механизм взаимодействия растворами полимеров на белковое волокно и количество полимера на волокне (табл. 2).

Таблица 2.

Зависимость количества полимера на волокне от концентрации модификатора (масса волокна до реакции – 0,2000, а толщина – 21,5)

Из приведенных данных видно, что нанесение полимерных композиций способствует набуханию и увеличению диаметра белкового волокна. По- видимому, в более разбавленных растворах процесс диффузии полимера в структуру шерстяного волокна протекает быстрее. Относительно маленькие фрагменты макромолекул полимера легко диффундируют в поры шерстяного волокна и приводят к уплотнению его структуры. Таким образом, можно объяснить повышение прочности образцов белкового волокна, обработанного растворами полимера низкой концентрации. При этом содержание полимера в модифицированном волокне, обработанном растворами с полимерной композицией, относительно увеличивается.

Итак, в кератине шерсти, модифицированной поличетвертичной солью, могут быть обнаружены следы химического взаимодействия –С=О групп полимерной соли с аминогруппами кератина белкового волокна, а также донорно-акцепторного взаимодействия между четвертичным азотом полимерной соли и карбонильной группой кератина с образованием комплексного соединения.

Таким образом, исследование влияний растворов на основе водорастворимых полимеров показало возможность улучшения физико-механических свойств, и по результатам эксперимента видно, что модификация приводит к сохранению прочности волокна при разрывной нагрузке.

Актуальность проблемы заключается в придании натуральным волокнам улучшенных физико-механических и специфических свойств, особенно для натурального волокна, а также специально окрашенных тканей.

Разработка совершенно новых способов придания волокнообразующим полимерам прочной окраски с улучшенными колористическими свойствами является актуальной и своевременной. Промышленная индустрия красителей на современном этапе достаточно развита. Однако имеется целый ряд задач, решение которых связано, прежде всего, с наличием необходимого сырья. Химические красители ввозятся на территорию республики Узбекистан из самых разных стран: России, Германии, Китая, Японии и др. Форма и состав марок красителей не всегда и не на всех волокнистых полимерах позволяют получать прочные, интенсивные и яркие окраски. Узбекистан обладает богатой сырьевой базой натуральных волокнистых полимеров: шелк, шерсть, хлопок. Однако промышленная база по выпуску красителей отсутствует. Таким образом, республика находится в сильнейшей зависимости от ситуации на рынке.

Все вышесказанное создает определенные трудности при разработке и выборе способов крашения, отделки текстильных волокнообразующих полимеров. Модификация белкового волокна полимерными растворами композиции, улучшая гигиенические свойства и изменяя структуру (усаживаемость и пористость), может положительно повлиять на окрашиваемость волокна.

Следует отметить, что наличие в составе макромолекул кератина белкового волокна карбоксильных, карбонильных, аминных и других групп может способствовать образованию подвижных комплексных соединений между функционально-активными группами поличетвертичной соли, волокна шерсти состоят из различных белковых веществ и содержат аминогруппы — NН₂ и карбоксильные группы — СООН. Вместе с тем все различные природные волокна заметно набухают в воде и имеют поры, в которые вместе с водой проникает и краситель.

Известно, что в различных отраслях текстильной промышленности крашению подвергается белковое волокно в чистом виде или в смеси с другими синтетическими и растительными волокнами. В связи с этим исследовали процесс крашения модифицированного белкового волокна катионными, активными красителями.

Объектом исследования были исходное и модифицированное волокна шерсти. Сорбцию красителей определяли колориметрированием растворов до и после крашения.

Рисунок 1. Кинетика процесса крашения модифицированного волокна катионным красным С

Далее была изучена кинетика крашения модифицированного волокна катионным красителем (рис. 2).

Рисунок 2. Кинетика процесса крашения исходного волокна катионным красным С

Повышение температуры крашения от 75 до 100 °С способствует связыванию большего количество красителя на волокне. Такая закономерность наблюдается как при крашении модифицированных, так и при крашении хлорированных образцов.

Рисунок 3. Кинетика процесса крашения хлорированного волокна катионным красным С

Процесс крашения модифицированных волокон 1,5 %-ным полимерным раствором способствует повышению количества связанного красителя на волокне по сравнению с исходным почти до 1,5 раза. Необходимо отметить, что волокно, обработанное хлорированием, связывает относительно меньше красителя, чем модифицированное.

Рисунок 4. Кинетика процесса крашения модифицированного волокна 2,5 %-ным раствором полимерной композиции катионным красным С

Количество фиксированного красителя на модифицированном волокне увеличивается в случае применения раствора модификатора концентрации 2,5 г/л до 1,9 раза, а в случае концентрации 1,5 г/л – до 1,6 раза. В этом случае также наблюдается увеличение количества связанного красителя на волокне при применении раствора модификатора с более низкой концентрацией в полимерной композиции.

Следовательно, надо полагать, что поведение образцов в процессе крашения, проявляя избирательность к определенной микрофизической структуре и химическому составу, свидетельствует об изменении индивидуальной сорбционной и диффузионной способности, характерной для каждого вида образца (табл. 3).

Таблица 3.

Значения коэффициентов диффузии процесса крашения шерстяных волокон катионным красным С

Коэффициент диффузии процесса крашения модифицированных волокон при низкой температуре в 1,4 раза больше, а при высокой температуре это значение увеличивается почти до 3 раз. В модифицированных образцах содержание красителя увеличивается. Количество красителя на волокне, модифицированном полимером, по сравнению с исходным больше. Необходимо отметить, что увеличение полимера на волокне способствует повышению фиксации красителя.

Возникновение неравномерной окраски натурального волокна при стандартных условиях крашения обусловливается различиями в плотности упаковки структурных элементов волокна, определяющих различия в скорости диффузии молекул красителя в фибриллярный: за равные промежутки времени волокна сорбируют тем больше красителя, чем больше коэффициент диффузии его в волокно, однако изменить скорость диффузии красителя в волокно могут и модифицированные в волокне полимеры. Вводимые полимеры в белковое волокно при модифицированных обработках имеют многочисленные функциональные группы, которые способствуют улучшению его окрашиваемости.

Таблица 4.

Влияние модификации натуральных волокон на качество окраски катионным красным С

Было проверено (табл. 4) качество окраски окрашенных образцов катионным красным С, определены неровнота крашения и устойчивость окраски к действию некоторых физико-химических воздействий. Модификация волокна с полимерными композициями повышает интенсивность окраски и снижает неровноту крашения.

Итак, объектом исследования были выбраны полимерная композиция и текстильные красители. В качестве натурального волокна было выбрано шерстяное волокно. В качестве модификаторов служили поличетвертичная соль диметил-аллил-β-метакрилоилоксиэтиламмоний бромида и вода.

Список литературы:

1. Базовый лабораторный практикум по химической технологии волокнистых материалов / МГТУ им. А.Н. Косыгина «Международная программа образования». – М., 2000. – 157 с.
2. Давлатов Р.М. Изучение кинетики смачиваемости шерсти и влияние полимерных растворов на набухаемость волокон // Международ. научн.-практич. конференция «Современное общество, образование и наука». – Тамбов, 2014. – С. 45.
3. Давлатов Р.М., Исмаилов Р.И. Крашение натурального шелка активными красителями по методу «Коса-буяк», модифицированного четвертичными аммониевыми солями // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. – Иркутск, 2016. – № 3. – С. 147–150.
4. Давлатов Р.М., Шеркулова Н.Р. Многофункциональные вещества способствуют улучшению окрашиваемости волокна // Материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и молодых ученых «Современное состояние и перспективы науки о функциональных полимерах» (Ташкент, 19–20 марта 2020 г.). – С. 54.
5. Плетнев М.Ю. Поверхностно-активные вещества и композиции. Справочник. – М. : Фирма Клавель, 2002. – 768 с.
6. Разработка полимерной композиции для улучшения свойств шерсти / Р.М. Давлатов, С.С. Негматов, Ш.А. Бозорбоев, Н.А. Икрамов [и др.] // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2017. – № 8. – С. 13–18.
7. Davlatov R.M., Ismailov R.I. Chemical modification of natural silk under redox of oxidized – reduced initiated system // East European Scientific Journal. – Warsaw, Poland, 2015. – № 4 (4). – Vol. 1. – Р. 122–126.