Технология крашения пряжи с содержанием шерстяных волокон

Введение

Актуальность темы. В условиях современности важной задачей экономического роста страны является развитие текстильной и легкой промышленности, в том числе, шерстяной отрасли, относящейся к одной из важнейших в структуре народного хозяйства, и дает возможность обеспечивать насыщение рынка необходимой продукцией с достойными эксплуатационными и потребительскими свойствами. Эти свойства зависят от ценных характеристик шерстяного волокна, сохранение данных качеств в технологических процессах крашения шерсти можно назвать актуальным направлением в усовершенствовании механической и химической технологии шерстяных текстильных материалов. Таким образом, выбранная тема изучения и подбора красителей, а также и исследование и модернизация технологии крашения актуальна, поскольку реализация данного направления позволит повысить конкурентоспособность продукции, обеспечить ее соответствие требованиям современных стандартов безопасности и качества, уменьшить воздействие на окружающую среду.
Цель курсовой работы: изучить технологию крашения пряжи с содержанием шерстяных волокон.
Для достижения заданной цели поставлены следующие задачи работы:
– рассмотреть особенности строения шерсти и шерстяных волокон, проанализировать их химические свойства;
– изучить основные типы красителей, применяемых для крашения шерстяного волокна;
– проанализировать технологию крашения шерстяного волокна и современные возможности усовершенствования этого процесса;
– оценить влияние процесса крашения на окружающую среду и возможные методы уменьшения токсичности сточных вод.


1 ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ШЕРСТЯНЫХ ВОЛОКОН

1.1 Строение шерстяного волокна

Шерстяное волокно в отличие от целлюлозного имеет сложное морфологическое строение. Выделяют чешуйчатый. Корковый и сердцевидный слой в волокне шерсти. Чешуйчатый слой играет роль внешней защитной оболочки волокна. Около 90% волокна составляет внутренний корковый слой. Сердцевинный слой присутствует только у волокон грубой шерсти, и напоминает внутреннюю полость, заполненную высохшими клетками и воздухом.
Макромолекулы белка состоят из остатков аминокислот (мономеров), которые соединены пептидной связью. Схематично реакцию образования пептида из a-аминокислот можно представить следующим образом [10]:
,
где R1, R2, Rn – остатки аминокислот

В кератине шерсти содержится 19 остатков аминокислот (R1-R19), имеющих разные функциональные группы, взаимодействующие между собой и препаратами, применяемыми для обработки шерсти – -OH, -NH2, -SH, -COOH. Для шерсти характерно наличие в ней атомов серы. Последовательность соединения аминокислот в кератине изучается.
Макромолекула кератина представляет собой спираль, которая стабилизируется за счет внутримолекулярных взаимодействий активных центров, главным образом образованием водородных связей между –СО– и –NН– группами соседних витков спирали (рис. 1.1). Такими водородными связями определяются упругие и эластические свойства шерстяного волокна: спираль аналогично пружине растягивается при деформации и возвращается в исходное положение после их снятия [10].

Рисунок 1.1 – Схема a-спирали полипептидной цепи
Надмолекулярное строение шерстяного волокна можно представить следующим образом (рис. 1.2). Три макромолекулы (1), взаимодействуя между собой с помощью активных центров (при этом образуются связи ковалентные дисульфидные –S–S–, водородные, солевые NH3+COO-), объединяются в протофибриллу (2) в виде трёхжильного троса (рис. 1.2 а). 11 протофибрилл образуют микрофибриллу (рис. 1.2 б). Микрофибриллы в свою очередь объединяются в макрофибриллы.

Рисунок 1.2 – Модель строения прото- и микрофибриллы кератина шерсти

Множество клеток, пространство между которыми заполнено межклеточным аморфным веществом, образуют корковый слой волокна, покрытый защитным чешуйчатым (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Схема строения волокна шерсти

Чешуйчатый слой обладает более плотной структурой, чем корковый, соответственно он имеет меньшую диффузионную проницаемостью, что усложняет проникновение красителей в основную часть волокна.

1.2 Химические свойства шерсти

1.2.1 Амфотерные свойства кератина
Амфотерные свойства кератина обеспечены присутствием в его макромолекуле как кислотных (–СООН) так и основных (–NH2) функциональных групп. В воде шерстяное волокно подвергается ионизации и в зависимости от pН среды приобретает отрицательный или положительный заряд.

1.2.2 Действие воды и пара
Активные группы в кератине, взаимодействующие с водой (-NН2, -ОН), обуславливают гигроскопичность шерсти. Шерстяное волокно имеет самое большое влагопоглощение (около 17%) среди всех волокон. При действии воды шерстяное волокно набухает, а пропаривание, кипячение обработка горячими растворами может привести к его разрушению и потере массы.

1.2.3 Действие кислот
Шерстяное волокно более устойчиво к кислотам, чем целлюлоза. Разрыв пептидных связей протекает при более жёстких условиях (концентрация, температура, время), чем разрыв глюкозидных.

1.2.4 Действие щелочей
Шерсть менее устойчива к действию щелочей, чем целлюлоза. Она начинает растворяться уже в 3%-ном горячем растворе щёлочи. Разрушение связано с разрывом пептидных связей в макромолекуле, а также солевых и дисульфидных связей, объединяющих макромолекулы между собой.

1.2.5 Действие окислителей
Окислители, действуя на пептидные и дисульфидные связи, уменьшают механическую прочность шерстяного волокна, что обязательно учитывать при выборе окислителя в процессе беления.

1.2.6 Действие восстановителей
Наличие в шерстяном волокне делает его чувствительным к действию восстановителей. Разрушение дисульфидных связей восстановителями ухудшает физико-механические свойства шерсти.

1.2.7 Действие температуры
Шерсть – очень термочувствительное волокно. Изменяются физико-механические свойства уже при 100оС. Однако процесс обратим, увлажнение возвращает шерсти исходные свойства. Тем не менее, длительная обработка при температуре выше 105оС приводит к необратимым изменениям.

2 ТИПЫ КРАСИТЕЛЕЙ

2.1 Классификация красителей

Техническая классификация красителей, учитывающая все технологические особенности, взаимодействие с волокнами различной природы, характеры связей красителя с волокном, свойство красителя растворяться в воде, нашла широкое применение.
Выделяют 8 групп красящих веществ: основные, субстантивные, протравные, кислотные, кубовые, сернистые, азокрасители, черно-анилиновые.
Среди кислотных выделяют: азокрасители, антрахиноновые, антроногетероциклические, арилметановые, диазиновые и нитрозокрасители.
Основные красители: азокрасители, ариламиновые, арилметановые. Недостатком основных красителей является низкая устойчивость окрашивания к свету и мокрым обработкам. Исключение – катионные красители (обычно применяются для синтетического волокна): азокрасители, антрахиноновые, ариламиновые, полиметиновые.
Протравные красители способны к комплексообразованию с металлами: азокрасители, антрахиноновые, арилметановые, периноновые, фталоцианиновые.
Прямые красители – это соли органических сульфокислот, диссоциирующих с образованием цветных анионов: азокрасители, фталоцианиновые.
Активные красители – растворимые в воде соли органических кислот или оснований, которые содержат активные атомы, легко отщепляющиеся при окрашивании: азокрасители, антрохиноновые, фталоцианиновые.
Кубовые красители нерастворимы в воде, способные восстанавливаться с образованием производных, растворимых в щелочных средах. После крашения восстановленные соединения окисляются на волокне кислородом воздуха в исходный нерастворимый краситель

. Рекомендуются для крашения целлюлозных волокон, отдельные можно использовать для белкового волокна.
Сернистые красители применяют исключительно для окрашивания целлюлозных волокон, поскольку восстановление ведется в сильнощелочной среде, разрушающей шерсть.
Для крашения шерсти в основном применяют протравные, кислотные и основные красители, меньше – субстантивные красители [6].
С крашением шерстяных волокон субстантивными, основными и кислотными красителями связано протекание химических реакций образования солей между волокном и красителем [6].
По растворимости красители делят на такие группы:
Растворимые в воде – прямые, активные, кислотные, катионные.
Нерастворимые в воде – кубовые, сернистые, дисперсные, пигменты.
Образующиеся на волокне – азоидные, черный анилин.

Применяемая классификация красителей учитывает их технические характеристики. Название состоит из класса технической классификации, цвета или оттенка. Например, кубовый ярко-зеленый 2Ж (желтый), цифра означает степень выраженности.

2.2 Кислотные красители

Молекула кератина шерсти в кислой среде присоединяют ионы водорода и заряжаются положительно:

Кислотные красители, поскольку являются натриевыми солями сульфокислот, легко растворимы в воде, диссоциируют на ионы по уравнению:
KpSO3Na ↔ KpSO3- + Na+
Кислотные красители, взаимодействуя с основными группами шерстяного волокна, могут образовывать соли. При этом вытесняются неорганические анионы, которые были связаны с волокном. На сродство кислотных красителей к шерстяному волокну можно повлиять, изменяя концентрацию серной кислоты. При ее повышении кислотный краситель быстрее оседает на волокне.
Кислотные красители, обладая сродством к указанным волокнам, сорбируются на поверхности волокна, проникают вглубь волокна, образуют ионные связи между аминогруппами волокна и анионом красителя:

В кислой среде (pH=2…3,5) 'аминогруппы волокон приобретают положительный заряд, что способствует максимальному поглощению красителя волокнами (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Зависимость поглощения кислотного красителя
волокном от pH красильной ванны [8]

Крашение в сильнокислых красильных ваннах при pH<2 не рекомендуется, поскольку обычно приводит к деструкции шерстяного волокна, что сопровождается потерей прочности.
Кислотные красители различают по интенсивности перехода на волокно, по выравнивающей способности, и в зависимости от стойкости окрашивания к мокрой обработке. Эти свойства красителя определяются сродством к волокну и диффузионной способностью.


2.3 Хромовые красители

Хромовые красители по химическим свойствам схожи с кислотными красителями. Они легко растворяются в воде и окрашивают шерстяные волокна в кислой среде. За счет присутствия в своем составе гидроксильных, карбоксильных и аминогрупп они способны к образованию комплексных соединений с ионами металлов, что прочно закрепляет их на волокне. Комплексообразующим металлом чаще выступает хром, присутствующий в хромовой протраве (бихроматы калия К2Сr2О7 или натрия Na2Сr2O7·2Н2O).
Хромовые красители нашли широкое применение для крашения шерстяного волокна. Такой способ крашения позволяет получить материал устойчивый к физико-химическим воздействиям с широкой цветовой гаммой, однако не всегда удается добиться ярких оттенков.
Участвующий в реакции комплексообразования атом хрома (III) взаимодействует как с красителем, так и с белковым веществом шерсти.
Шерстяное волокно подвергается обработке раствором хромовой протравы при кипячении. Сначала Cr2O72- присоединяется к положительным аминогруппам шерстяного волокна, а затем адсорбированный хром (VI) восстанавливается до хрома (III). При этом изменяется окраска от желтой окраски до серо-зеленоватой. Взаимодействие хромовых красителей с волокном можно представить следующим образом:

Рисунок 2.2 – Взаимодействие хромовых красителей с шерстяным волокном
2.4 Кислотные металлсодержащие красители

Металлсодержащие красители представляют собой готовые внутрикомплексные соединения моноазокрасителей с металлами – Cr или Co. К недостаткам этих красителей следует отнести невысокую яркость получаемых окрасок.
Из-за наличия SO32- такие красители хорошо растворяются в воде и поддаются диссоциации. Они взаимодействуют с белковыми волокнами путем образования как ионных связей между группой SO32- красителя и аминогруппами NH3+, а также амидными группами волокна, также и координационных связей между атомом Cr и неионизированными амино- и гидроксигруппами. В качестве примера приведем взаимодействие кислотного зеленого ЖМ с кератином шерстяного волокна:

Комплексы состава 1:2 относятся к комплексам анионного типа, однако в отличие от комплексов состава 1:1 отрицательный заряд у них обусловлен не наличием сульфо- или карбоксигрупп, а делокализован по всему комплексу. В качестве примера ниже приведена формула одного из таких красителей – кислотного рубинового Н2СМ:

2.5 Крашение прямыми красителями

Для крашения изделий из чистой шерсти прямые красители используют крайне редко. Главным образом их можно рекомендовать для крашения целлюлозных составляющих тканей из смеси шерсти и целлюлозного волокна.
Прямые красители по химическому строению чаще всего относятся к моно-, дис- или полиазосоединениям, они выпускаются в виде натриевых солей сульфо- или карбоновых кислот. В качестве примера прямого красителя приведем один из дисазокрасителей:


2.6 Активные красители

Активные красители в отличие от других при взаимодействии с волокнами образуют ковалентные связи, что обеспечивает высокую устойчивость окрашивания, особенно к мокрым обработкам.
Активные красители, главным образом предназначены для крашения целлюлозных волокон, на белковых волокнах не дают ровного окрашивания и высокой фиксации. Для решения таких проблем подбирают отдельные активные красители для шерсти с учетом следующих требований: 1) реакционная способность красителя по отношению к шерсти должна проявляться в кислой среде; при этом исключается десорбция части красителя, связанного с шерстью в кислой среде ионными связями; 2) ковалентную фиксацию красителя волокном проводят в несколько иных условиях (температура, pH среды), чем сорбцию красителя; 3) степень фиксации красителя не менее 90…98%; 4) незафиксированный краситель должен обладать высоким сродством к волокну, чтобы исключить необходимость тщательной промывки после фиксации.
Этим требованиям удовлетворяют красители, активными центрами которых являются бромакриламидные или дифтор- хлорпиримидиновые группировки, а также красители с металлокомплексными хромофорными системами.
Активные бромакриламидные красители могут взаимодействовать с функциональными группами шерстяного волокна как по механизму нуклеофильного замещения (а), так и по механизму нуклеофильного присоединения (б). В умереннокислой среде (pH 4,5—5) в кератине шерсти всегда имеется некоторое число незаряженных аминогрупп, которые и принимают участие в этих реакциях. Образующиеся в обоих случаях окрашенные соединения могут превращаться в продукт, содержащий трехчленный азиридиновый цикл.


Для того, чтобы добиться ровной окраски шерсти активными красителями широко используют выравниватели [5, 11].

2.7 Основные красители

Основные красители еще называют катионными, потому что молекула красителя имеет положительный заряд. Основные группы красителя реагируют с кислотными группами волокон. Недостатком основных красителей является низкая устойчивость окрашивания к свету, особенно для белковых волокон