ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ СТРУКТУРЫ ТКАНИ НА ЕЕ ГИДРОФОБНОСТЬ

АННОТАЦИЯ

В работе приведены результаты экспериментальных работ по изучению влияния поверхностной структуры ткани на ее гидрофобность. Результатами экспериментов показано, что поверхностная структура ткани существенно влияет на гигиенические свойства и гидрофобность ткани.

ABSTRACT

The paper presents the results of experimental work on the study of the effect of the surface structure of tissue on its hydrophobicity. The results of the experiments have shown that the surface structure of the tissue significantly affects the hygienic properties and hydrophobicity of the tissue.

Ключевые слова: влияние, структура ткани, гидрофобность.

Keywords: influence, tissue structure, hydrophobicity.

Известно, что природные и искусственные и гидратцеллюлозные волокна гидрофильные по своей природе, то есть легко впитывают влагу. Это обусловлено наличием в макромолекулах волокнообразующих полимеров большого числа гидроксильных групп, способных взаимодействовать с водой. При контакте молекулы воды прочно удерживаются в волокне за счет образования водородных связей. В связи с чем тканям из целлюлозных волокон часто требуется сообщить гидрофобные свойства, то есть способность отталкивать воду. Ткани, отталкивающие воду, – супергидрофобные, и воду, и масло, – суперамфифобные, обладают многочисленными преимуществами на промышленном и потребительском уровне. Однако со временем водоотталкивающая способность снижается.

Для придания специальных свойств текстильным материалам используется привитая сополимеризация к макромолекулам текстильных волокон [7]. В последние годы особое внимание уделяется изучению свойств гидрофобной поверхности текстильных материалов. Авторы предоставляют обзор применяемых химикатов и методов придания гидрофобных свойств текстильным материалам. По результатам анализа было установлено, что водо- и брызгозащищенная обработка занимает важное место в отделочных процессах, способствующих изменению характеристик текстильных материалов. Водный раствор на основе кремнийорганических соединений использовался для гидрофобизации текстильных изделий с сохранением их эксплуатационных и гигиенических характеристик [11]. Однако не каждый текстильный материал после заключительной отделки с применением силиконов приобретает требуемые водоотталкивающие свойства [8].

Гидрофобизирующие композиции – это многокомпонентные соединения, создаваемые отдельно для шерстяных [3], шелковых [13] и целлюлозных [10] тканей с учетом их физико-химических, сорбционных и морфологических свойств. В зависимости от строения указанные соединения могут удерживаться на поверхности волокна за счет адсорбционных сил или химического взаимодействия с волокном. Авторами работы [14] предложено гидрофобное покрытие, которое используется на целлюлозном волокне, и последующее смешивание с необработанным волокном для получения модифицированной пряжи с оптимизированными водоотталкивающими свойствами. Гидрофобная поверхность гибридных волокон разработана так, чтобы напоминать синтетические волокна, такие как полиэстер или полиамид. При динамических испытаниях 90% воды было перенесено из гидрофобной целлюлозной ткани в гидрофильный слой целлюлозы, менее 10% добавленного объема удерживалось в капиллярах гибрида материал. Однако сердцевина волокон обладает характеристиками целлюлозных волокон, поэтому возможно окрашивание гибридных волокон стандартными активными красителями для целлюлозы. Эта работа является примером альтернативного метода замены синтетических волокон на биопроизводные и биоразлагаемые материалы в функциональной одежде.

Применение современных технологий в отделочном производстве текстильных материалов обусловливает также создание новых химических препаратов. Так, ученых занимает вопрос о создании гидрофобизатора, способного сохранять свои положительные свойства после многократных циклов стирки, при этом не влияя на физико-механические и эксплуатационные свойства ткани. Сообщается [9], что получена супергидрофобная хлопчатобумажная ткань, способная сохранить водоотталкивающие свойства после обработки, эквивалентной 250 циклам стирки при температуре 40 °С в бытовых стиральных машинах. Данный эффект достигнут путем нанесения гидрофобного полимера с последующей обработкой гамма-излучением для образования прочных ковалентных связей между субстратом и полимером. Авторами [2] отмечается попытка улучшения гидрофобизирующих свойств олигосилоксанов путем введения в их структуру длинноцепочных жирных алифатических радикалов, связанных с атомами кремния через оксиметиленовые фрагменты. Супергидрофобная структуры обладают особенными водоотталкивающими свойствами. Как известно, в природе этот эффект помогает защищаться листьям лотоса от заселения микроорганизмами, а бабочкам – не намокнуть [6]. Чаще всего такие материалы состоят из небольших по размерам шероховатостей, которые достигаются путем физической или химической модификации поверхности тканого материала [12]. Поэтому для повышения гидрофобности необходимо также увеличить неоднородность (шероховатость) поверхности материала [1].

Материалы и методы

Ткань хлопчатобумажная в трех вариантах: 1 – полотняное переплетение с гладкой поверхностью; 2 – вафельное переплетение с характерными прямоугольными ячейками на поверхности ткани, 3 – крупноузорчатое переплетение с крупными узорами на поверхности ткани. Все образцы состоят из 100%-ного хлопкового волокна.

Гидрофобизирующая эмульсия состоит из силиконового каучука СКТН, меламина, низкомолекулярного хлорсульфированного полиэтилена, цинка стеарата и поверхностно-активного вещества, рН гидрофобной эмульсии равна 4,5, содержание сухих веществ – 17%, эмульсия прозрачная.

Обработка хлопчатобумажной ткани гидрофобизатором

Для получения гидрофобных текстилных материалов необходимое количество обрабатывали в растворе аппрета. Обработку провели при модуле ванны М=1,7:1 по непрерывному способу в лабораторной плюсовочной машине Horizontal Type Padder – DL-2500V (Корея), содержащей растворы гидрофобизатора при комнатной температуре, затем образцы отжимали до привеса 80–90%. После чего образцы сушили в сушилке при температуре не выше 100 °С, затем провели термообработку с целью фиксации гидрофобизатора в сушильном шкафе Chamber manuals – HB-105SG (Корея) при температуре 150–170 °С в течение 5–10 минут [4].

Методы испытаний

Воздухопроницаемость образцов исследована на приборе AP-360SM (Япония) согласно методике производителя.

Водопоглощаемость образцов хлопчатобумажной ткани с различной поверхностной структурой определена по ISO 20158:2018. Textiles-Determination of water absorption time and water absorption capacity of textile fabrics.

Водоупорность образцов определяли по ГОСТ 3816-81 (ИСО 811-81). Полотна текстильные. Методы определения гигроскопических и водоотталкивающих свойств. Полученные результаты приведены на нижеследующей диаграмме.

Капиллярность определяли по ГОСТ 29104.11-91.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Аппретирование образцов хлопчатобумажной ткани разной поверхностной структуры проводили по вышеописанной методике. После пропитки образцов препаратом различной концентрации гидрофобный эффект определяли по величине водоупорности. Экспериментальные результаты по изучению влияния концентрации аппрета на водоупорность образцов ткани различной структуры хлопчатобумажной ткани иллюстрированы на рис. 1.

Рисунок 1. Зависимость водоупорности хлопчатобумажных образцов ткани от концентрации аппрета

Как видно из рисунка, высокие значения гидрофобности наблюдались в образцах с рельефной поверхностью. Компоненты использованного аппрета, взаимодействуя с гидроксильными группами макромолекулы целлюлозы, а также вследствие блокирования этих функциональных групп за счет образования в волокне гидрофобного застила из углеводородных цепочек способствуют приобретению гидрофобности хлопчатобумажной ткани [5].

Известно, что основная реакция между составляющими аппрета и макромолекулами целлюлозы протекает при высоких температурах. Экспериментами лабораторного процесса заключительной отделки изучена зависимость водоотталкивающих свойств образцов от продолжительности и температуры термообработки плюсованной ткани. Установлено, что максимальное значение водоотталкивания соответствует режиму термообработки, которая проводится при температуре 160 °С в течение 2–4 минут. Проведение процесса термообработки выше температуры 160 °С сопровождается уменьшением водоотталкивающих свойств хлопчатобумажной ткани, продолжительность термообработки более 4 мин не приводит к существенным изменениям гидрофобности исследуемых образцов. При нанесении на ткань используемые аппреты образуют на ее поверхности прозрачные высокоэластичные пленки, которые обладают высокой адгезионной способностью по отношению к целлюлозе, что влияет на гигиенические свойства текстильного материала. Экспериментальные результаты исследования по изучению влияния поверхностной структуры образцов на их гигиенические свойства занесены в табл. 1.

Таблица 1.

Зависимость гигиенических свойств образцов от поверхностной структуры ткани и вида аппрета

*в числителе показатели до аппретирования, в знаменетеле – после апретирования.

Как видно из таблицы, несмотря на то что все три образцы состоят из 100%-ного хлопкового волокна и были подвергнуты процессу подготовки к аппретированию в одинаковых условиях, наибольшей капиллярностью обладает образец № 3. Это связано с поверхностной структурой образца. Из приведенных данных следует, что проявление гидрофобизирующих свойств образцов существенно зависит от поверхностной структуры ткани.

В ходе проведенных экспериментов капиллярный подъем не наблюдался для образцов, аппретированных обеими композициями во всех образцах различной поверхностной структуры. Как известно, воздухопроницаемостью материала называется его способность пропускать воздух. Этот показатель влияет на теплообменные процессы человека в условиях эксплуатации одежды. Из приведенных в таблице данных следует, что в сравнении с показателем воздухопроницаемости исходного материала различная природа аппретов практически не влияет на значение данного коэффициента. Гидрофобная отделка хлопчатобумажных образцов ткани различной поверхностной структуры способствовала получению гидрофобной ткани, так как капиллярность всех образцов имеет значение 0. Важно, что водопоглощение образцов ткани, обработанных исследуемыми аппретами, составляет 0,2–1,0%, что существенно ниже по сравнению с необработанными образцами (38–40%).

Список литературы:

1. Борисова А.А., Рейхмане С.А., Рассказов В.П. Перспективы применения гидрофобной отделки целлюлозосодержащих текстильных материалов // Вестник ВГТУ. – 2011. – С. 121–126.
2. Измайлов Б.А. Гидрофобная отделка текстильных материалов из хлопчатобумажных и полушерстяных волокон высшими олиго (алкилоксиметилен) силоксанами / Б.А. Измайлов, А.В. Неделькин, О.В. Ямбулатова // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. – 2009. – № 2. – С. 43–46.
3. Масло- и водоотталкивающие композиции и способы их применения. Oil and water repellent compositions and methods of application thereof // Патент 7211327 США, МПК В 32 В 27/30 (2006.01), В 05 D 5/00 2006.1. Galen Evan, Barons Andrew. № 11/217965'. Заявл. 31.08.2005; Опубл. 01.05.2007; НПК 428/421.
4. Усаманова Ф.С., Аъзамжонова С.А., Набиев Н.Д. Придание водоотталкивающих свойств для хлопчатобумажной ткани // Инновационные направления развития науки о полимерных волокнистых и композиционных материалах: тез. докл. 2-й международ. науч. конф. – СПб. : Гос. ун-т промышленных технологий и дизайна, 2021. – 50 с.
5. Усмонова Ф.С., Набиев Н.Д., Умурзокова С.А. Изучение состава аппрета на гидрофобность текстильного материала // Фан, таълим, ишлаб чщариш интеграциялашуви шароитида пахта тозалаш, туцимачилик, енгил саноат, матбаа ишлаб чщариш инновацион технологиялари долзарб муаммолари ва уларнинг ечими” Республика илмий – амалий анжумани II-Кисм III, IV (Шуъбалар, 21–22 апрель, 2021 й). – 104–106 б.
6. Durable and Flexible Superhydrophobic Materials: Abrasion/Scratching/Slicing/ Droplet Impacting/Bending/Twisting-Tolerant Composite with Porcupinefish-Like Structure / Yoshihiro Yamauchi, Mizuki Tenjimbayashi, Sadaki Samitsu, Masanobu Naito // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2019. – № 11 (35). – P. 32381–32389.
7. Exatraction of collagen from cattle skin and synthesis of collagen based flame retardant composition and introduction into cellulose textile material by graft colypolimerization / N. Nabiev, A.Md. Raju, H. Quan, A. Rafikov // Asian Journal of chemistry. – 2017. – Vol. 29, № 11. – P. 2470–2475.
8. Kachuk D.S., Nesterova L.A., Venger E.A. Hydrophobic finishing of the printed by pigments textile materials by the silicones // Технология текстильной промышленности. – 2014. – № 3 (351). – С. 123–129.
9. Laundering durability of superhydrophobic cotton fabric / B. Deng, R. Cai, Y. Yu, H. Jiang [et al.] // Adv Mater. – 2010. – № 48 (22). – P. 5473–5477.
10. Lu Jue, Askeland Per, Drzal Lawrence. Surface modification of microfibrillated cellulose for epoxy composite applications // T. Polymer. – 2008. – 49, № 5. – С. 1285–1296.
11. Makhotkina L., Khalilova A. Hydrophobic textile materials with organosilicon impregnation // Topical Problems of Agriculture, Civil and Environmental Engineering, TPACEE 2020; E3S Web of Conferences. – 2020. – Vol. 224. – Article number 03025.
12. Michielsen S., Lee H.J. Design of a Superhydrophobic Surface Using Woven Structures // Langmuir. – 2007. – № 23 (11). – P. 6004–6010.
13. Surface functionalization of silk fabric by PTFE sputter coating / Huang Fenglin, Wei Qufu, Liu Ya, Gao Weidong [et al.] // J. Mater. Sci. – 2007. – 42, № 19. – C. 8025–8028.
14. Wright T., Mahmud-Ali A., Bechtold T. Surface coated cellulose fibers as a biobased alternative to functional synthetic fibers // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 275. – Article number 123857.