ОПТИМИЗАЦИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗАГУЩАЮЩИХ КОМПОЗИЦИЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ТЕКСТИЛЬНОЙ ПЕЧАТИ ПО СМЕСОВЫМ ВОЛОКНАМ

АННОТАЦИЯ

В исследовании представлены результаты анализа реологических свойств инновационных полимерных загущающих композиций, разработанных с применением модифицированного крахмала, поливинилового спирта (ПВС) и акриловой эмульсии (АЭ). Предложенные композиции предназначены для использования при печатании тканей, изготовленных из смесовых хлопково-нитронных волокон. В ходе проведённых экспериментов изучалось влияние изменения соотношения компонентов на показатели вязкости, предел текучести и тиксотропное поведение разработанных составов. Установлено, что увеличение содержания ПВС и модифицированного крахмала способствует росту вязкости и степени тиксотропного восстановления, при этом предел текучести снижается. Изучены электрокинетические характеристики и способность композиции связывать активный краситель, что позволило определить оптимальные параметры варки. Сделан вывод о возможности применения разработанных композиций в качестве эффективных загустителей при текстильной печати, обеспечивающих стабильность процесса и равномерное окрашивание тканей.

ABSTRACT

The study presents the results of an analysis of the rheological properties of innovative polymer thickening compositions developed using modified starch, polyvinyl alcohol (PVA), and acrylic emulsion (AE). These compositions are proposed for use in textile printing on blended cotton–nitron fabrics. The influence of the component ratios on viscosity, yield stress, and thixotropic recovery was analyzed. It was found that increasing the amount of PVA and modified starch leads to higher viscosity and improved structural recovery, while the yield stress decreases. Electrokinetic characteristics and the ability of the composition to bind active dyes were also examined, allowing the optimal cooking time to be identified. The findings show that the developed compositions can serve as effective thickeners for textile printing, providing process stability and uniform color distribution across the fabric.

Ключевые слова: модифицированный крахмал, поливиниловый спирт, акриловая эмульсия, реология, текстильная печать, загущающие системы, тиксотропные свойства, электрокинетический потенциал, активные красители, смесовые волокна.

Keywords: modified starch, polyvinyl alcohol, acrylic emulsion, rheology,textile printing, thickening composition, thixotropy, electrokinetic potential, active dye, blended fibers.

ВВЕДЕНИЕ

Во многих зарубежных государствах, где бурно развивается текстильная промышленность, спрос населения на продукцию отделочных производств, особенно хлопчатобумажных, шелковых и смесовых тканей, из года в год увеличивается. В отделочных предприятиях текстильной промышленности для печатания тканив качестве загустителя печатных красок, в основном применяются альгинат натрия, который получают из щелочной обработки морских водорослей, полипринт, эмпринт и производные целлюлозы. Использование этих компонентов значительно увеличивает себестоимость готовых изделий[1-3].

В текстильной промышленности загущающие ингредиенты являются очень важной составной частью печатных красок, они сообщают им, так называемые, печатные свойства, заключающиеся в удержании печатной краски на ткани для сохранения четких контуров рисунка. Кроме того, приготовленная комбинированная печатная краска не должна вспениваться, сбиваться в комки, становиться гуще, разжижаться при нанесении на ткань, а также должна быстро высыхать на ткани, хорошо фиксироваться на ней и полностью смываться с ткани за исключением фиксированного на волокне красителя. После нанесения печатной краски ткань подвергается сушке, термофиксации, промывке и аппретированию.

Кроме того, нестабильность течения технологического процесса зачастую приводит к сбоям в производстве.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для решения подобных проблем особое значение имеет разработка технологии синтеза загущающих композиций, основанных на модифицированном крахмале, водорастворимом синтетическом полимере — поливиниловом спирте (ПВС), а также акриловой эмульсии (АЭ), относящейся к классу акрилатов. Совместимость указанных полимеров позволяет эффективно использовать их в качестве загустителя при текстильной печати шелковых и ацетатных смесовых тканей [4-5].

Электрокинетические параметры полученных образцов определялись по общепринятым методикам с использованием специализированной лабораторной установки. В процессе термической обработки крахмальных гранул осуществлялся отбор проб, которые впоследствии разбавляли горячей водой при температуре 80–90 °С, чтобы предотвратить их агрегацию. Полученный вязкий раствор подвергали охлаждению. Определение электрокинетического потенциала проводилось для оценки скорости перемещения заряжённых частиц модифицированного крахмала под действием электрического поля в сторону анода [6-7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исходя из вышеизложенного, нами проведены исследования, направленные комплексномуизучению ианализа реологического поведения природных и синтетических полимеров, входящих в состав загущающих систем, используемых при печатании смесовых тканей на основе шелково-ацетатных волокон. Особое внимание уделено влиянию каждого компонента на формирование печатных свойств паст. Основными критериями оценки эффективности загустителей являются вязкость, предел текучести и способность растворов к восстановлению структурной организации. В рамках исследования рассмотрены концентрационные зависимости указанных параметров, обобщённые результаты приведены в табл. 1.

Из полученных данных видно, что увеличение содержания ПВС в системе модифицированного крахмала существенно влияет на реологические показателивязкости, предела текучести и степени тиксотропного восстановления загущающего раствора.

С целью определения влияния природы и концентрации ПВС на свойства загущающих композиций концентрации АЭ во всех проведенных опытах придерживались постоянным, равным 1,5 %.

Таблица 1.

Влияние концентрации компонентов на реологические показатели загущающих систем

Как видно из полученных данных (табл.1), при введении 1,0% поливинилового спирта в состав загущающей композиции при концентрации модифицированного крахмала до 5,0 %, вязкость системы достигает 47,4 Па·с. При увеличении концентрации модифицированного крахмала до 6 %, в том же концентрации ПВС вязкость загущающих систем возрастает до 48,8 Па·с, что подтверждает усиление структурных взаимодействий между полимерными компонентами.

Анализ зависимости степени восстановления структуры и предела текучести от концентрации ингредиентов показал, что увеличение доли поливинилового спирта и модифицированного крахмала способствует росту тиксотропных свойств системы: степень восстановления структуры достигает 97,0 %, а предел текучести уменьшается с 55,9 г/см² до 28,9 г/см².

Таким образом, разработанная композиция демонстрирует улучшенные физико-химические и реологические характеристики по сравнению с промышленными аналогами на основе альгината натрия и Сольвитозы. Оптимальным составом можно считать систему, содержащую 6% модифицированного крахмала и 1,0% ПВС: она обладает высокой вязкостью (около 48,8 Па·с), степенью тиксотропного восстановления структуры — 85,8 % и пределом текучести — 46,48 г/см², который вполне удовлетворяет требованиям предъявляемые к загустителям и способствует обеспечиваниюравномерного нанесения печатной краски и стабильности процесса.

Исходя из результатов изучения реологических свойств разработанных загущающих композиций можно заключить, что последнее целесообразно использовать в качестве эффективных загустителей при печатании смесовых тканей в текстильной промышленности.

При приготовлении загущающих систем важным технологическим параметром является продолжительность разваривания крахмальной основы.

Для определения оптимального времени варки важным фактором является следующие показатели:

• Показатель степени расщепления модифицированных крахмальных зерен, которое в большинстве случаев проводится при щелочных средах;
• Вязкостные характеристики загущаюших систем, что является немаловажным фактором;
• динамическая вязкость системы;
• динамическая устойчивость структуры (ДУС);
• загущающаякомпозиция относится к мелкодисперсным коллоидным системам, что требует определения значения электрокинетического потенциала;
• проникновение печатной краски и степень связывания красителя с функциональными группами, содержащие смесовые щелковые и ацетатные ткани .

В качестве компонентазагущающей композиции нельзя применять нативный крахмал, т. к. первичные гидроксильные группы крахмала вступают в реакцию с функциональными группами красителями, что и приводить к потери свойства красителя и перерасход самой краски. По этому для решения этого негативного явления она подвергается модификации. Осуществление химической модификации крахмала способствует снижениюспособности связываться сактивными красителями, которая объясняется образованиемотрицательного электрокинетического потенциала коллоидных частиц загущающей системы. Для этого модифицированный крахмал подвергался активации с участием поливинилового спирта и акриловой эмульсии, взаимодействующих с его поверхностью [8-10].

Нами проведены измерения по определению значения электрокинетического потенциала разработанных загашающих систем, результаты которых приведены на рис. 1. Как следует из зависимости ξ-потенциала модифицированного крахмала от времени термической обработки, на поверхности коллоидных частиц формируется отрицательный заряд. Этот эффект обусловлен электростатическими отталкиваниями между отрицательно заряженными молекулами красителя и частицами модифицированного крахмала, что способствует снижению их взаимного взаимодействия и повышению стабильности крахмальной загустки.

Для количественной характеристики степени связывания активных красителей с разработанной полимерной загущающей композицией была использована усовершенствованная методика оценки окрашивания тонких плёнок, приготовленных из исследуемых растворов. Такой подход позволил более точно определить взаимодействие красителя с компонентами системы и выявить особенности распределения пигмента в структуре загустителя.

Такое увеличение степени восстановления структуры с ростом времени варки связано с постепенным раскрытием гранул крахмала и усилением взаимодействия между макромолекулами. При достижении 30–40 минут процесс стабилизируется, что указывает на формирование устойчивой коллоидной структуры композиции.

Рисунок 1. Влияние времени варки на степень восстановления структуры модифицированной загущающей системы при различных концентрациях модифицированного крахмала (5 %, 6 % и 7 %) при фиксированном содержании ПВС - 1,0 %.

Из графика видно, что при увеличении времени варки степень связывания активного красителя постепенно снижается и после 30-40 минут выходит на стабильный уровень. Это объясняется образованием отрицательно заряженных участков на поверхности частиц крахмала, которые препятствуют избыточному поглощению молекул красителя и способствуют равномерному распределению цвета в процессе печатитканей.

Из данных таблицы 2 следует, что добавление поливинилового спирта (ПВС) и акриловой эмульсии (АЭ) в состав модифицированного крахмального клейстера приводит к заметному снижению степени связывания активного красителя - примерно в два раза по сравнению с исходным образцом. Вероятно, такое поведение обусловлено неравномерным распределением модифицирующих добавок в объёме системы и наличием локальных участков, обогащённых этими компонентами.

Рисунок 2. Влияние продолжительности варки на степень связывания активного красителя с модифицированной загущающей системой при различных концентрациях модифицированного крахмала (5 %, 6 % и 7 %) при постоянном содержании ПВС — 1,0 %.

Подобный эффект типичен для гетерогенной модификации крахмала при пониженных температурах, где определяющим этапом является диффузия реагентов. Для обеспечения более равномерного распределения модификаторов и глубокого их проникновения в структуру полимера требуется увеличение продолжительности обработки или проведение процесса в несколько стадий с постепенным введением реагента.

Табл. 2. содержит экспериментальные данные, отражающие зависимость степени связывания активного красного красителя 5СХ от концентрации модифицированного крахмала и применяемого модификатора, а также результаты определения ζ-потенциала полученных полимерных загущающих систем.

Из анализа данных таблицы видно, что при введении ПВС и акриловой эмульсии в систему на основе модифицированного крахмала степень связывания активного красителя снижается, а отрицательный ζ-потенциал возрастает. Это свидетельствует о формировании более устойчивой коллоидной системы с равномерным распределением частиц.

Таблица 2.

Влияние концентрации компонентов входящие в состав загущающих полимерных композиций на степень связывания активного красителя и ζ-потенциал коллоидных систем

Особенно заметное уменьшение связывания красителя наблюдается при увеличении концентрации активирующих добавок до 1,5–2,0 %, что объясняется усилением электростатического отталкивания между отрицательно заряженными центрами крахмальных цепей и анионными молекулами красителя.

Исходя из теоретических представлений и полученныхэкспериментальных данных так же можно объяснить,что степень связывания активного красителя, кроме концентрации полимерных компонентов, зависит от катионов, которые присутствуют в системе. Так как концентрации модифицированного крахмала в загущающей композиции достаточно высока, иногда наблюдается пониженная степень связывания красителя при одновременном высоком значении ζ-потенциала. Такое явление сопровождается наблюдением частичной нейтрализацией отрицательных зарядов на поверхности крахмальных частиц. Реакция нейтрализации происходит за счёт координационного взаимодействия положительно заряженных катионов с амидными группами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ экспериментальных данных показывает, что внедрение различных групп, содержащиеся в ПВС и акриловой эмульсии способствует формированию на поверхности коллоидных частиц дополнительного отрицательного потенциала, в результате чего снижается способность системы прочно удерживать анионные красители. При степени расщепления модифицированных крахмальных гранул свыше 85% значение ζ-потенциала достигает области стабильности, а активность взаимодействия частиц с молекулами красителя снижается до минимальных величин. Следовательно, оптимальной продолжительностью термообработки, обеспечивающей наилучшее связывание красителя с волокнами ткани, следует считать диапазон 30–40 минут, при котором степень деструкции крахмала составляет приблизительно 80–85 %.

Список литературы:

1. Эшдавлатова Г.Э., Амонов М.Р. Изучение реологических свойств загущающих композиций для печатания ткани на основе смесовых волокон. Universium:технические науки. Электронныйжурнал. 2021.- № 11 (89). Часть 2. –С.19-23.
2. БахаеваТ.Н., ЗолотоносовЯ.Д., Золотоносов А.Я. Экспериментальное исследование преологических свойств карбоксиметилцеллюлозы методомротационной вискозиметрии // Изв. вузов. Пробл. энергетики. - 2006. -№7-8. –С. 106-109.
3. Shabarova U.N., Amonov M. R., Tolibova Zh.Viscosity characteristics of the binding polymer composition // Austrian Journal of Technical and Natural SciencesScientifi c journal. - №9–10.-2021.-p.23-27.
4. КочкинаН.Е., Падохин В.А.Влияние механической активации нареологические свойства растворов карбоксилированного крахмала // IIIМеждунар. науч.-техн. конф. «Достижения текстильной xимии – производство». – Иваново. – 2008. – С. 109.
5. ЕпишкинаВ.А., Киселев А.М., ЦелмсР.Н., ВасильевВ.К.Реологические и печатные свойства синтетических загустителей дляпигментной печати // Изв. вузов: Технология текстил, пром-сти. – 2006. – №6 – С.70-72.
6. Алексеева О.В., Рожкова О.В., Прусов А.Н.Загустители печатныхкрасок для текстильных материалов // Эфиры целлюлозы и крахмала: синтез,свойства, применение. – Владимир. – 2003. – С.263-265.
7. Егоров Н.В., ЛебедеваВ.И., СмирноваО.К., КирилловаМ.Н. Отделкахлопчатобумажных тканей: справочник / Иваново: «Талка», 2003.- 484с.
8. Шабарова У.Н., Амонов М.Р. Совершенствование технологии получения связывающих водорастворимых полимеров для колорирования смесовых тканей // Universum: технические науки. -Москва, -№11(92). -2021. -Ч.5. -c.16-19.
9. Эшонкулова Д.И., Амонов М.Р., Хотамов М.Х. Изучение физико-механических свойств щлихтующе-связывающих композиций//Развитие науки и технологий. Научно-технический журнал. – Бухара, 2021. – № 3. – С. 70-76.
10. Эшанкулова Д.И. Влияние концентрации синтетических полимеров на вязкость загушающей композиции // Universum: Технические науки. – Москва, 2022. –№ 6 (99). С. –10-13.