авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ХИМИИ РАСТВОРОВ

В. С. Побединский

АКТИВИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОТДЕЛКИ

ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЭНЕРГИЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

ВЧ, СВЧ И УФ ДИАПАЗОНОВ

Иваново

2000

2

УДК 677.027

Побединский В.С. Активирование процессов отделки текстильных

материалов энергией электромагнитных волн ВЧ, СВЧ и УФ диапазо-

нов.— Иваново: ИХР РАН, 2000.— 128 с.: ил.

ISBN 5-201-10427-4 Обобщены результаты научных исследований отечественных и зарубежных исследователей по применению энергии электромагнитных волн ВЧ (высокочас тотного), СВЧ (сверхвысокочастотного) и ультрафиолетового (УФ) диапазонов для повышения эффективности технологических процессов текстильного и кра сильно-отделочного производств (фиксации крутки пряжи, сушки, отварки, беле ния, карбонизации, крашения и заключительной отделки текстильных материа лов).

Дан обзор техническим устройствам для обработки текстильных материалов и приведена технико-экономическая оценка работы промышленного оборудования, использующего в качестве энергоносителей электромагнитные излучения указан ных диапазонов.

Монография предназначена для научных и инженерно-технических работни ков текстильной промышленности.

Печатается по решению ученого совета Института химии растворов РАН.

Рецензенты: доктор технических наук А.П. Морыганов кандидат технических наук Б.Л. Горберг © В.С. Побединский, ISBN 5-201-10427- 2000 © Российская академия наук, ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие.……………………………………….…………………..

.

1. Диэлектрический (ВЧ, СВЧ) нагрев.……………………………..

1.1. Физические основы диэлектрического способа нагрева….…….. 1.2. Диэлектрические свойства волокнистых материалов…..……….. 1.3. Влияние ВЧ нагрева на свойства текстильных волокон..……….. 1.4. Высокочастотная сушка текстильных материалов.……………… 1.5. ВЧ нагрев как фактор повышения эффективности технологических операций красильно-отделочного производства 1.5.1. Подготовка хлопкосодержащих тканей..………………………..

1.5.2. Карбонизация шерстяного волокна……...……………………… 1.5.3. Крашение текстильных материалов……..……………………… 1.5.4. Заключительная отделка тканей……………..…………………..

1.6. Технико-экономическая оценка работы промышленного ВЧ оборудования..………………………………………………………. 1.7. Микроволновая (СВЧ) обработка текстильных материалов….... 2. Фотохимическая (УФ) активация.………..……………………… 2.1. УФ активирование процессов беления хлопко- и льносодержа щих тканей…………………………………………………….…… 2.2. Использование УФ обработок в крашении тканей..……………...

2.2.1. Фотохимический способ крашения кубозолями...……..……….

2.2.2. Экспериментальное оборудования для УФ обработки тканей...

2.2.3. Фотопечатание тканей...………………………………………….

2.3. Фотополимеризация аппретов в заключительной отделке тканей Список литературы.…...……………..………..……………………… Предисловие Современные тенденции развития технологии красильно-отделочного производства таковы, что экстенсивный путь интенсификации технологи ческих процессов, основанный на количественном росте параметров об работки (повышении температуры, давления, концентрации реагентов и т.д.) давно исчерпал себя, так как приводит к нежелательным изменениям структуры волокнистых материалов и ухудшению их потребительских свойств. Это вызывает необходимость разработки таких методов обра ботки, которые наряду с ускорением физико-химических процессов, обеспечивали бы сохранение и улучшение свойств текстильных материа лов, способствовали бы снижению экологической вредности отделочного производства. С этих позиций заслуживают внимания способы интенси фикации технологических процессов, которые базируются на применении нетрадиционных видов энергоносителей, и, в частности, электромагнит ных волн.

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн.

Примечательно, что большинство видов электромагнитных волн (рис. 1) в настоящее время в той или иной степени нашли применение для активирования процессов красильно-отделочного производства. Так, лучи применяют для радиационно-химической фиксации красителей и отделочных препаратов на текстильных материалах [1]. Термообработка тканей инфракрасным (ИК) излучением широко используется в операциях сушки, колорирования и заключительной отделки [2], причем данный способ уже можно считать классическим. Ультрафиолетовый (УФ) и ви димый свет составляют основу фотохимии и используется для осуществ ления процессов беления, крашения и отделки тканей [3]. Радиоволны высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона при меняют для диэлектрического нагрева в разнообразных операциях тепло влажностной обработки текстильных материалов [4].

Побудительным мотивом для написании монографии явился тот факт, что по двум последним направлениям накоплен обширный научный и практический материал, который до сих пор не получил обобщения и сис тематизации. В связи с этим настоящая работа призвана восполнить имеющийся пробел и посвящена теории и практике использования ди электрического нагрева и фотохимической активации для повышения эф фективности обработки текстильных материалов. Соответственно, моно графия состоит из двух глав.

В первой главе обсуждаются результаты исследований по применению диэлектрического способа нагрева для интенсификации разнообразных технологических процессов обработки текстильных материалов. В силу своих специфических особенностей диэлектрический нагрев, включаю щий в себя ВЧ и СВЧ (микроволновый) способы нагрева, позволяет ин тенсифицировать тепло-массообменные и диффузионные процессы в ус ловиях тепловлажностной обработки текстильных материалов. При этом, как правило, достигается улучшение физико-механических свойств во локнистых материалов вследствие благотворного воздействия электро магнитного излучения на структуру волокнообразующего полимера. Воз можности диэлектрического нагрева как метода интенсификации доста точно широки, что делает его практически универсальным методом по вышения эффективности технологических процессов, основанных на теп ловой обработке влажных волокнистых материалов в текстильном и кра сильно-отделочном производствах.

Другим перспективным направлением, рассмотрению которого по священа вторая глава, является использование УФ света для фотоактива ции процессов беления, крашения и заключительной отделки тканей. На обширном экспериментальном материале продемонстрирован путь разви тия фотохимической технологии крашения тканей от лабораторных опы тов до практического воплощения в производственных условиях тек стильных предприятий. Логическим завершением проведенных научно исследовательских и опытно-конструкторских работ явилось создание принципиально нового УФ красильного оборудования. Эффективность и перспективность метода фотохимической активации подтверждается ре зультатами промышленных испытаний УФ оборудования и проведенных технико-экономических расчетов.

Настоящая монография носит обзорно-аналитический характер. При ее написании автор руководствовался стремлением обобщить и дать ана лиз разрозненным сведениям по рассматриваемым вопросам, полученных как отечественными, так и зарубежными учеными. Вместе с тем автор не претендует на абсолютно полное представление информации по рассмат риваемым вопросам. Теоретические основы методов, являющихся темой настоящей работы, рассмотрены лишь в той степени, насколько это необ ходимо для понимания сущности описываемых технологических процес сов и путей их практической реализации. Значительное место отведено результатам исследований, выполненных в Ивановских научно исследовательских организациях (НИЭКМИ, ИвНИТИ, ИХР РАН, ИГХТУ).

1. Диэлектрический (ВЧ, СВЧ) нагрев 1.1 Физические основы диэлектрического способа нагрева По своим электрофизическим свойствам текстильные материалы от носятся к диэлектрикам, поэтому уместно рассмотреть поведение диэлек трических материалов в электрическом поле. Если диэлектрик поместить в переменное электрическое поле, то в нем разовьются поляризационные процессы, обусловленные смещением под воздействием поля электриче ских зарядов и связанных с ним молекул и более крупных структурных единиц [5]. Различают два вида поляризации: упругая — при сильной свя зи между молекулами и релаксационная — при слабой связи. К упругой поляризации относят электронную, атомную и ионную. Такая поляриза ция следует практически мгновенно за изменением электрического поля, при этом фазовое смещение между векторами электрической индукции и напряженностью практически отсутствует и диэлектрические потери не возникают. Наиболее часто встречающимся видом релаксационной поля ризации является дипольная поляризация, имеющая место в полярных диэлектриках при слабых связях между молекулами. Центры тяжести по ложительных и отрицательных зарядов у таких молекул не совпадают и образуют диполь. Дипольная поляризация сопровождается принудитель ной переориентацией диполей по направлению вектора напряженности электрического поля. Полярные молекулы или более крупные структур ные единицы вследствие дипольной поляризации приобретают враща тельный момент. Под действием момента диполи, ориентируясь в направ лении вектора напряженности, совершают колебательное движение в такт пульсации электрического поля. Для перемещения молекул затрачивается энергия, которая из-за наличия межмолекулярного трения выделяется в материале в форме теплоты.

Потенциальная энергия переменного электрического поля, которая не обратимо рассеивается в диэлектрике в форме теплоты, называется ди электрическими потерями. Для их характеристики используют тангенс угла диэлектрических потерь tg и диэлектрическую постоянную. Тан генс угла диэлектрических потерь характеризует угол смещения по фазе тока в цепи конденсатора относительно напряжения. Диэлектрическая постоянная представляет собой величину, пропорциональную числу ди полей, которые ориентируются в направлении вектора напряженности и определяется отношением емкости электрического конденсатора, запол ненного материалом, к емкости того же конденсаторов в вакууме.

В расчетах часто используют интегральный показатель, представляю щий собой произведение tg на, которое называется коэффициентом диэлектрических потерь. Коэффициент потерь для данного диэлектрика не является величиной постоянной, а зависит от частоты изменения на пряженности электрического поля и температуры.

Удельная мощность, выделяющаяся в виде теплоты в единице объема диэлектрика, определяется следующим соотношением [6]:

Pуд=5,55.м.tg.f.E2.10-11 (1) где Руд — удельная мощность, Вт/м3;

м — диэлектрическая постоянная нагреваемого материала;

f — частота электрического поля, Гц;

tg — тангенс угла диэлектрических потерь;

Е — напряженность электрического поля, Вт/м Таким образом, количество выделяемой энергии в материале в про цессе высокочастотного нагрева зависит от частоты электрического поля, квадрата напряженности электрического поля и от диэлектрических свойств материала, характеризуемых величиной диэлектрической прони цаемости и углом поглощения энергии.

Из формулы (1) следует, что факторами повышения эффективности диэлектрического нагрева являются увеличение частоты и напряженности электрического поля. Максимальный же КПД достигается при резонансе в том случае, когда в процессе пре вращения энергии частота изменения поля близка или совпадает с частотой релаксации и ориентации молекул вещества, что следует из частотной зависимости и tg (рис. 2).

Как видно, величина диэлектри ческой постоянной с ростом частоты поля монотонно уменьшается. В то же время зависимость тангенса угла диэлектрических потерь носит ярко выраженный экстремальный харак тер. Величина и положение макси Рис. 2. Зависимость диэлектриче- мума всегда индивидуально для кон ской проницаемости и тангенса угла кретного материала, а его наличие диэлектрических потерь от частоты обусловлено резонансом при совпа электрического поля.

дении частоты колебаний электрического поля с собственной частотой колебаний молекул или других структурных единиц вещества.

Технологический процесс ВЧ нагрева материалов осуществляется пе ременным электрическим полем, создаваемым пластинами конденсатора.

К конденсатору подводится напряжение от высокочастотного генератора.

Отметим, что для диэлектрического нагрева отечественной промышлен ностью серийно выпускаются ВЧ генераторы мощностью от 1 до 160 КВт с частотой в диапазоне 13—81 МГц [7]. Это соответствует метровому диапазону длин волн. Большинство выпускаемых ВЧ генераторов, кото рые предназначены для промышленного ВЧ нагрева, работают на частоте 13,56 МГц.

Техническое устройство, которое создает ВЧ поле заданной конфигу рации и в котором осуществляется собственно диэлектрический нагрев материала, называется аппликатором. Наиболее простым аппликатором является обычный плоский конденсатор.

Электроды в виде конденсатор ных пластин являются в большей степени подходящими для ВЧ обработ ки объемных текстильных материалов, например, рулонов, мотков, бобин и пр. Для непрерывной обработки плоских текстильных материалов при меняют стержневые электроды с параллельным соединением одноимен ных полюсов [8]. Такое расположение электродов способствует тому, что силовые линии поля проходят не вертикально, а пересекают материал под острым углом. При этом достигается большая напряженность поля в плоскости обрабатываемого изделия, что обеспечивает его эффективный нагрев. Для обработки нитевидных текстильных материалов могут ис пользоваться аппликаторы в виде колец [9]. В этом случае силовые линии концентрируются по центру вдоль линии симметрии, обеспечивая эффек тивный нагрев нитевидных материалов. Более подробно конструкция электродных систем будет рассмотрена в разделе 1.4.

Для обоснования режима диэлектрического нагрева необходимо опре делить параметры ведения процесса: скорость нагрева, желаемое измене ние влагосодержания, начальную и конечную температуру материала.

Для этого необходимо знать диэлектрические характеристики материала и его компонентов, теплоемкость, структуру, форму и массу обрабаты ваемых материалов. Важным является правильный выбор рабочей часто ты. Рабочая частота должна обеспечивать требуемую интенсивность на грева, которая задается технологическим процессом, равномерное рас пределение напряжения по всей длине электродов конденсатора, возмож ность согласования параметров нагрузки с параметрами источника пита ния и работы при максимальном КПД установки. Для более глубокого ознакомления с вопросами теории ВЧ нагрева диэлектрических материа лов, проектирования и эксплуатация ВЧ установок можно адресовать к работам [10, 11].

Особенности физической природы диэлектрического способа нагрева обуславливают ряд его важных преимуществ по сравнению с традицион ными способами нагрева материалов от внешних источников тепла, кото рые будут рассмотрены ниже.

Равномерность. Обычно передача тепла осуществляется за счет кон векции, теплопроводности и излучения. Отсюда неизбежен температур ный градиент от периферии к центру материала. Уменьшить или почти устранить большой градиент температур можно только за счет увеличе ния времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного и длительного нагрева удается избежать перегрева поверхности слоев обра батываемого материала. Примерами таких процессов является термооб работка текстильных изделий с большим поперечным сечением и высо кой плотностью (бобин, мотков волокна, рулонов ткани). Диэлектриче ский нагрев можно рассматривать как нагрев внутренними источниками тепла и при определенных условиях (равномерность электрического поля и однородность диэлектрических свойств материала) он обеспечивает практически равномерный нагрев материалов по всему объему. Поэтому при диэлектрическом нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда технологических процессов, связанных с термообработ кой объемных изделий.

Интенсивность. Диэлектрический нагрев дает возможность передачи значительных мощностей на единицу поверхности (объема) материала, благодаря чему резко возрастает скорость его нагрева, и, как следствие, эффективность процесса термообработки.

Избирательность. Основана на зависимости диэлектрических потерь в нагреваемом материале от длины волны. При этом в многокомпонент ной системе будут нагреваться только части, где высокий tg.

Саморегулируемость. При нагреве материалов, содержащих жидкую фазу, например, воду, с уменьшением влажности в процессе обезвожива ния диэлектрические потери уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повы шенная влажность. Это исключает опасность местного перегрева мате риала, поскольку нагрев высушенных мест автоматически прекращается.

Тепловая безинерционность. Поскольку диэлектрический нагрев цели ком и полностью определяется воздействием на материал переменного электрического поля, то в момент прекращения генерирования поля обра зование тепла в диэлектрике также прекращается.

Отмеченные преимущества диэлектрического (ВЧ, СВЧ) способа на грева материалов создают предпосылки для разработки прогрессивных высокоэффективных технологических процессов в текстильном и кра сильно-отделочном производствах.

1.2 Диэлектрические свойства волокнистых материалов В предыдущей главе было показано, что одним из основных факторов, определяющих эффективность ВЧ нагрева, является диэлектрические свойства материалов. Как было показано выше, по своим электрофизиче ским свойствам волокнистые материалы относятся к диэлектрикам, кото рые в зависимости от строения волокнообразующего полимера делятся на полярные и неполярные. У неполярных материалов, таких как полиэфир ное (лавсановое) и полипропиленовое волокна основным видом поляри зации является деформационная (электронная), протекающая без выделе ния теплоты. Такие материалы характеризуются низкими значениями ди электрических потерь и слабо нагреваются в полях высокой и сверхвысо кой частоты. Для полярных диэлектриков (полиамид, полиакрилонитрил) характерна релаксационная поляризация (дипольно-групповая и диполь но-сегментальная). При помещении такого материала в ВЧ поле его по лярные элементы (сегменты, группы атомов) будут ориентироваться вдоль линий напряженности поля согласно полярности. Подобным мате риалам присущи большие значения диэлектрических потерь.

Отмеченное выше можно про иллюстрировать результатами работы [12] по исследованию ди электрических свойств тканей из 0, натуральных и синтетических во локон в диапазоне 20—140 оС на Коэффициент потерь 0, частоте 15 МГц (рис. 3). Из гра- 0, фических данных видно, что ди 0, электрические свойства текстиль ных материалов в существенной 0, степени зависят от природы во 0,0 локнообразующего полимера. Так, 30 60 90 120 для полярного полиакрилонит- Температура, оС рильного и полиамидного волокон коэффициент диэлектрических Рис. 3. Зависимость коэффициента ди потерь на порядок выше по срав- электрических потерь тканей от темпе нению с неполярным полиэфир- ратуры:

ным, триацетатным волокнами. 1— лавсан;

2 — триацетат;

3 — хлопок;

4 — полиакрилонитрил;

5 — полиамид Показатель диэлектрических по терь хлопка имеет промежуточное значение по сравнению с указанными группами волокон. Сравнительно более высокий коэффициент диэлектрических потерь у хлопка объясняет ся более высоким уровнем кондиционной влажности хлопкового волокна по сравнению с полиэфирным и триацетатным волокнами. Различные ди электрические свойства обуславливают, в свою очередь, и неодинаковое поведение текстильных материалов при помещении их в переменное электрическое поле. В результате, как видно из рис. 4, на котором изо бражена кинетика нагрева тканей с равновесным влагосодержанием в ВЧ поле мощностью 5,5 КВт, полиамидная ткань по сравнению с другими материалами нагревается заметно быстрее и до более высокой температу ры.

0, Тангенс угла потерь 100 0, Температура, оС 0, 0, 20 0, 5 6 7 8 10 10 10 10 0 2 4 6 8 10 Частота, Гц Время, мин.

Рис. 4. Кинетика нагрева тканей в ВЧ Рис. 5. Частотная зависимость tg тка поле: ней:

1— триацетат;

2 — хлопок;

3 — полиамид 1 — полиэфир;

2 — хлопок Исследование диэлектрических свойств тканей с различным волокни стым составом выявило закономерность, свойственную всем изучаемым материалам [13]. Так, на рис. 5 приведена частотная зависимость tg для полиэфирной и хлопчатобумажной тканей, из которых видно, что макси мум на частотных зависимостях наблюдается на одной частоте, причем для хлопкового волокна он более выражен. Наличие максимумов обу словлено резонансом при совпадении частоты колебаний электрического поля с собственной частотой колебаний молекул воды, содержащейся в волокне. Более высокое значение tg, наблюдаемое в области максимума для хлопка, объясняется тем, что кондиционная влажность хлопкового волокна на порядок выше, чем в полиэфире. Как следует из графиков, обезвоживание образцов тканей приводит к уменьшению величины tg во всем диапазоне частот.

Из рассмотренных выше данных можно сделать вывод, что значение тангенса угла потерь волокнистых материалов при кондиционной влаж ности близко к нижней границе tg полярных диэлектриков (10-2) и лежит в пределах 0,02—0,05. Таким образом, волокнистые материалы в воздуш но-сухом состоянии харак теризуются низкими значе ниями диэлектрических потерь. Как следствие, ма лополярные волокна (лав Диэлектрическая постоянная сановое, ацетатное, поли- 5 Коэффициент потерь пропиленовое), а также же сткоцепные не термопла- 4 стичные волокна (хлопок, 3 вискоза, шерсть, шелк) в условиях диэлектрического Коэффициент потерь 2 Диэлектрическая постоянная нагрева нагреваются слабо.

Следовательно, необходи- 0 20 40 60 80 мым условием обеспечения Температура, оС эффективного диэлектриче ского нагрева неполярных текстильных материалов является присутствие в волокнистом материала какого-либо полярного вещества, которое бы нагревалось в электромаг нитном поле и за счет теплопередачи обеспечивало бы разогрев самого материала. В процессах сушки и отделки чаще всего в качестве полярного компонента выступает вода. Диэлектрические характеристики воды, по лученные при частоте 30 МГц, представлены на рис. 6 [14]. Примечатель но, что с увеличением температуры от 0 до 100 оС коэффициент диэлек трических потерь воды возрастает примерно вдвое. Следовательно, с рос том температуры эффективность ВЧ нагрева повышается.

Так как в процессах отделки текстильные материалы, как правило, со держат в значительном количестве (80—100 %) воду, то систему "волок нообразующий полимер — вода" можно рассматривать как полярный ди электрик, электрофизические характеристики которого близки к воде, а теплофизические — к материалу-носителю (т.е. ткани). Зависимость ко эффициента диэлектрических потерь от влажности волокнистого мате риала проиллюстрирована в табл. 1 [15].

Табл. 1. Зависимость фактора диэлектрических потерь волокнистых материалов от влагосодержания.

Фактор потерь при содержании воды в тканях, % Волокно 0,4 2 8 Хлопок 0,062 0,075 0,13 1, Полиамидное 0,015 0,020 0,5 1, Полиакрилонитрильное 0,007 0,016 — — Табличные данные свидетельствуют о том, что при 100 %-ном уровне влажности природа волокнообразующего полимера уже практически не влияет на диэлектрические свойства текстильных материалов, а коэффи циент потерь возрастает по сравнению с обезвоженными тканями (0,4 %) примерно в 20—100 раз. В результате достигается многократное повыше ние интенсивности диэлектрического нагрева влажных текстильных ма териалов.

Из рис.7 видно, что присутствие в текстильном материале красителей и аппретирующих веществ также обуславливает возрастание диэлектри ческих потерь волокна по сравнению с исходной тканью [16], т.к. эти продукты, являясь дипольными компонентами, увеличивают полярность волокнистого субстрата.

Влияние химических компонентов (текстильных вспомогательных веществ) на ди электрические сво йства текстильных 1 отбеленная материалов более подробно будут рассмотрены в ни 0,5 окрашенная К жеследующих раз делах, касающихся технологии приме 0 аппретированн нения диэлектри Ткань ческого способа нагрева в различ Рис. 7. Влияние на коэффициент диэлектрических потерь хлопчатобумажной ткани красителей и аппретирующих ных процессах от веществ. делки тканей.

1.3 Влияние ВЧ нагрева на свойства текстильных волокон Многочисленными исследованиями установлено, что воздействие ди электрического нагрева на текстильный материал не приводит к измене нию химических свойств волокнообразующих полимеров, а оказывает влияние только на надмолекулярную структуру материала. Степень воз действия электромагнитной энергии определяется в основном двумя фак торами: диэлектрическими свойствами полимера и его влагосодержанием в условиях диэлектрического нагрева. Первый параметр, как было пока зано выше, определяет способность поглощать электромагнитную энер гию самим полимером. Процесс взаимодействия полярного полимера с электромагнитной энергией обусловлен дипольной поляризацией и со провождается повышением сегментальной подвижности макромолекул, следствием чего может быть разрыв межмолекулярных связей, восста новление их на более выгодном энергетическом уровне и, как следствие, релаксация внутренних напряжений волокна.

Для неполярных полимеров определяющим фактором является нали чие в волокне полярного компонента, например, воды. Так, способность поглощать энергию жесткоцепными хлопковым и шерстяным волокнами целиком определяется присутствующей в материале водой. Это определя ет характер влияния ВЧ нагрева на свойства волокна. Вода при диэлек трическом нагреве в условиях ограниченного теплообмена с окружающей средой может нагреваться до кипения и создавать режим запаривания волокнистого материала. Следствием этого является изменение парамет ров макро- и микроструктуры волокон и протекание релаксационных процессов в волокне.

Отмеченные особенности поведения природных и синтетических во локнообразующих полимеров в ВЧ поле удобно проиллюстрировать на примере шерстяного и полиамидного волокон (характеризующихся сход ным химическим составом), в контексте конкретных технологических операций текстильного производства.

Одним из важнейших процессов, предназначенным для формирования пряжи в технологии прядении, является кручение. На прядильных и кру тильных машинах нить при скручивании находится всегда в свободном состоянии. При этом волокна, принимая винтообразную форму, растяги ваются и удлиняются. Такой процесс сопровождается возникновением внутренних напряжений (упругих сил) в волокне. При пребывании пряжи в свободном состоянии происходит нарушение равновесия между момен том упругих сил волокон и моментом внешних сил, приложенных при кручении. В результате этого образуется реактивный момент кручения, обуславливающий неравновесность пряжи, т.е. ее способность к самопро извольному раскручиванию и образованию петель или так называемых "сукрутин", которые при последующем ткачестве являются причиной обрыва нитей и создают пороки тканей, снижая сортность изделий.

Для предотвращения самопроизвольного раскручивания и образования "сукрутин" пряжи, она подвергается специальной операции — фиксации крутки пряжи. Сущность процесса фиксации заключается в получении структуры волокон с новыми межмолекулярными стабильными связями, при сообщении которых пряжа становится более эластичной и сохраняет форму, полученную при обработке. Широкое распространение получили теплофизические способы фиксации, в частности, вакуумное запаривание [17], предусматривающее длительную обработку пряжи паром в условиях вакуума.

Исследования, проведенные в Рижском политехническом институте [18], показали, что фиксацию крутки шерстяной пряжи можно осуществ лять путем диэлектрического нагрева. Следует отметить, что шерстяная пряжа при нормальных условиях является идеальным объектом для ди электрического нагрева, поскольку кондиционная влажность шерсти со ставляет 15—16 % [19], что вполне достаточно для эффективного нагрева волокна в ВЧ поле. При помещении шерстяной пряжи в ВЧ поле содер жащаяся в волокне вода быстро нагревается до 100 оС, причем нагрев во локна будет практически равномерным по всему объему. В результате интенсивного парообразования внутри паковки пряжи создается избы точное давление и возникает диффузионный перенос пара из центра к периферии, что обеспечивает эффективное запаривание пряжи. В резуль тате создаются условия для релаксации внутренних напряжений в волок нистом материале, что обеспечивает улучшение физико-механических свойств пряжи (табл. 2).

Табл. 2. Влияние ВЧ нагрева на изменение прочностных показателей шерстяной пряжи Относительное изменение Артикул пряжи Способ обработки разрывной нагрузки, % Запаривание -2, ВЧ обработка +2, Запаривание -12, ВЧ обработка +4, Запаривание -3, ВЧ обработка +7, Запаривание -7, ВЧ обработка +1, Сопоставление табличных данных свидетельствует о том, что ВЧ об работка улучшает эластические свойства камвольной пряжи по сравне нию с вакуумным запариванием. Стоит подчеркнуть, что неравновесность пряжи за время 2—7 мин фиксации в ВЧ поле снижается до того же уров ня, что и за время 20—45 мин термообработки.

Другим показателем, на основании которого можно судить о влиянии на свойства волокна, является выносливость, характеризующая сопротив ление пряжи многократному растяжению. Полученные в работе [18] дан ные свидетельствуют о том, что пряжа, обработанная токами высокой частоты, способна выдержать число циклов растяжения без разрушения почти в 2 раза выше, чем пряжа, подвергнутая вакуумному запариванию.

В Ивановском НИЭКМИ проведена комплексная оценка влияния ВЧ нагрева на физико-механические свойства шерстяного волокна [20]. Пря жа в початках подвергалась ВЧ нагреву при частоте 13,56 МГц в течение 5 мин. Для сравнения исследовали необработанную пряжу и запаренную в вакуумной камере в производственных условиях Купавинской тонкосу конной фабрики. Как видно из табл. 3, ВЧ обработка обеспечивает сни жение показателя неравновесности пряжи (число витков в ”сукрутине”) примерно вдвое по сравнению с необработанной пряжей, при этом волок но упрочняется на 25 % и повышается его эластичность.

Табл. 3. Физико-механические свойства шерстяной пряжи Способ обработки Свойства пряжи ВЧ нагрев Запаривание Исходная Неравновесность (число витков) 8,3 6,0 15, Разрывная нагрузка, Н.10-2 6,3 4,86 4, Разрывное удлинение, мм 58,4 52,8 56, Линейная плотность, текс 163,9 147,0 153, Нельзя не отметить, что аналогичный положительный эффект ВЧ на грева зарегистрирован и в случае обработки целлюлозных волокон. Так, в работе [21] выявлено значительное повышение механической прочности хлопкового и льняного волокон в результате воздействия ВЧ поля, что легло в основу способа повышения прочности текстильных материалов путем обработки увлажненного волокна токами высокой частоты (40— 41 МГц) [22].

Табл. 4. Влияние ВЧ обработки на свойства полиамидного волокна Удлинение при нагрузка, гс/вол Поглощение воздухе, % Усадка при обработки, йода, мг/ч Разрывная обработки разрыве, % кипячении, Усадка в горячем Вариант Время мин % 3 1,2 3,8 71,6 67,2 160, ВЧ 7 0,9 3,7 73,6 76,0 174, нагрев 10 0,8 3,6 75,2 76,0 186, 15 0,5 3,2 75,6 70,0 162, Исходное — 2,6 4,6 70,0 68,0 176, волокно В полярных термопластичных волокнообразующих полимерах, кото рыми являются большинство синтетических текстильных волокон, под воздействием ВЧ поля происходят процессы релаксационной поляриза ции макромолекул, сопровождаемые повышением кинетической энергии подвижных участков макромолекулярной цепи. В случае, если получен ная энергия электрического поля превышает энергию межмолекулярных связей, возможен их обрыв, и, как следствие, релаксация внутренних на пряжений в волокне. Так, для полиамидного волокна процесс релаксации внутренних напряжений под влиянием ТВЧ связан с подвижностью кине тически независимых участков макромолекул (амидных групп) и обу словлен обрывом с последующим восстановлением водородных связей в положении, характеризующемся более низкой потенциальной энергией.

Влияние ВЧ обработки (частота — 17 МГц, мощность — 2 КВт) на физи ко-механические и эластические свойства полиамидного волокна проде монстрировано в табл. 4 [23].

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что ВЧ обработка обеспечивает стабилизацию линейных размеров полиамидного волокна — показатель усадки уменьшается по сравнению с необработанным ис ходным волокном в 1,5—2 раза. Наблюдается также улучшение прочно стных и эластических свойств обработанного волокна. Отмеченные свой ства напрямую связаны со степенью кристалличности волокна, которая, как видно из таблицы, имеет экстремальную зависимость от времени ВЧ обработки.

Дополнить представленные выше данные можно результатами иссле дования [24] воздействия электрического поля с частотой 40,68 МГц на надмолекулярную структуру полиамидных волокон, которое приводит к повышению степени ориентации кристаллитов. Поперечные размеры кри сталлитов находятся в пределах 5—6 нм и под действием ТВЧ могут в зависимости от времени обработки как увеличиваться, так и уменьшаться.

Изменения надмолекулярной структуры элементарных волокон коррели рует с изменением их механических свойств. Так, уменьшение коэффици ента ориентации кристаллитов и увеличение общей молекулярной ориен тации приводит к возрастанию разрывной нагрузки капроновой нити на 6—19 %, удлинения при разрыве — на 13—23 %, работы разрыва — на 25—30 % [25].

Таким образом, рассмотрев выше представленные данные можно кон статировать, что воздействие ВЧ энергии на волокнистые материалы про является только на надмолекулярном уровне (изменение общей молеку лярной ориентации кристаллитов, степени кристалличности, капиллярно пористой структуры), причем это не приводит к ухудшению физико механических и качественных характеристик самих материалов. Напро тив, в процессе диэлектрического нагрева происходит перестраивание структуры волокон, в результате чего по сравниваемым показателям об работанные изделия не только не уступают контрольным необработанным образцам, но и, как правило, превосходят их.

1.4 Высокочастотная сушка текстильных материалов Современные тенденции развития текстильной ВЧ техники и техноло гии таковы, что наиболее массовое применение диэлектрический способ нагрева получил для осуществления процессов сушки текстильных мате риалов. Это является закономерным и обусловлено тем, что ВЧ сушка, являясь чисто физическим процессом, значительно проще поддается управлению и автоматизации при практической реализации по сравнению с крашением и отделкой тканей, в которых совместно протекают как фи зические, так и химические процессы. Отметим, что в настоящей главе вопросы теории ВЧ сушки не рассматриваются. Заинтересованных чита телей можно адресовать к работам [26, 27]. Здесь же будет сделан упор на рассмотрение технико-экономических аспектов ВЧ сушки и специали зированного сушильного оборудования [28].

ВЧ сушка текстильных материалов основана на диэлектрическом на греве воды, содержащейся в высушиваемом изделии. Важными особенно стями диэлектрического нагрева по сравнению с нагревом от внешних источников тепла является то, что в процессе ВЧ сушки происходит рав номерный подъем температуры обрабатываемого материала и одновре менность начала испарения влаги по всему его объему. В условиях тепло и массообмена с окружающей средой температура и давление пара внутри тела оказывается выше, нежели в поверхностных слоях. В результате гра диенты температуры и давления направлены из центра материала к пери ферии, что способствует переносу влаги в процессе сушки из глубинных слоев к поверхности высушиваемого материала. Специфические особен ности диэлектрического нагрева обуславливают ряд важных преимуществ ВЧ способа сушки. Так, ВЧ нагрев высушиваемых материалов происхо дит быстрее по сравнению с нагревом от внешних источников тепла и равномерно по всей толщине изделия, в результате чего возрастает ско рость сушки. Практически исключается опасность перегрева обрабаты ваемого материала в поле ТВЧ, т.к. при атмосферном давлении темпера тура нагрева не превышает 100 оС. В процессе ВЧ сушки нагреваемый материал является элементом электрического контура и при изменении параметров, влияющих на диэлектрические характеристики материала изменяется и поглощаемая мощность. Например, количество энергии, поглощаемой материалом, пропорционально влагосодержанию волокна.

Отсюда — саморегулируемость процесса сушки. Нагрев материала при останавливается одновременно с прекращением действия ВЧ поля, что обуславливает тепловую безинерционность процесса сушки. Применение диэлектрического нагрева дает возможность передачи значительных мощностей к единице объема материала, благодаря чему реально умень шение габаритов сушильных установок. К числу достоинств относится гибкость в перестройке режима сушки при смене технологических опера ций, переходах с одного вида материала на другой. Важным моментом является то, что ВЧ сушка оказывает благоприятное воздействие на каче ство волокнистых материалов — снимаются внутренние напряжения в материале, достигается свободная усадка волокон по всей толщине, улучшается гриф текстильных материалов.

Среди перспективных областей применения ВЧ нагрева для целей сушки можно отметить следующие [29]: сушка текстильных материалов в паковках (хлопчатобумажная, льняная, шерстяная, смешанная пряжа);

нитки из натуральных и синтетических волокон после облагораживания и крашения;

льняная пряжа мокрого прядения в плотных паковках больших размеров;

шерстяная лента после крашения;

искусственный шелк в кули чах;

текстильные материалы (ткани, трикотажные полотна, нетканые ма териалы) в жгуте и расправленным полотном в непрерывных процессах;

ковровые изделия, войлоки;

швейные и трикотажные изделия и т.д.

Продемонстрируем эффективность процесса ВЧ сушки на примере экспериментальных данных (табл. 5), полученных в Ивановском НИЭКМИ с использованием полупромышленной установки на базе гене ратора ВЧГЗ-60/13 [30]. На основании исследований рассчитали произво дительность ВЧ сушки, учитывая что колебательная мощность серийно выпускаемых генераторов составляет 10, 25 и 60 КВт.

Табл. 5. Производительность ВЧ сушки хлопчатобумажных нитей по сухому материалу Производительность Способ сушки ВЧ мощность, КВт сушки, кг/час 10 14, Высокочастотный 25 нагрев 60 87, Конвективный — нагрев Для сравнения в таблице приведены данные по конвективной сушке хлопчатобумажных нитей на сушильной установке Ивановской трико тажной фабрики, взятой в качестве прототипа. Итак, применение ВЧ на грева позволяет в данном случае повысить производительность процесса сушки в 3—17 раз.

Перейдем к рассмотрению вопросов аппаратурного оформления ВЧ сушки. Для ее практической реализации требуется специальное сушиль ное оборудование. Оно состоит из следующих основных частей: высоко частотного генератора, сушильной камеры с электродной системой, сис темы подогрева и циркуляции воздуха, системы рекуперации тепла, транспортирующего устройства и пульта управления. Следует отметить, что за рубежом для целей сушки используются ВЧ генераторы преимуще ственно с рабочей частотой 27,12 МГц [31], отечественной промышлен ностью — с частотой 13,56 МГц.

В качестве примера на рис. представлен общий вид ВЧ су шильной машины с ленточным транспортером. Основным эле ментом сушильной камеры явля ется система электродов, обра зующих рабочее пространство (зону нагрева), в котором и осу Рис. 8. Высокочастотная сушилка фир ществляется процесс сушки тек мы "Sholl":

стильного материала.

1 — ВЧ сушильная камера;

2 — ВЧ генера В конструкции ВЧ сушильных тор;

3 — пульт управления;

4 — транспортер машин нашли применение (рис. 9) несколько видов электродных систем [32, 33]. Для сушки объем ных текстильных материалов (паковки, бобины), обычно применяют пло ские конденсаторные пластины (1), создающие вертикальное электриче ское поле. Стержневые элек троды (2—4) [34, 35] ис пользуются для сушки пло ских материалов (волокно, полотно ткани, ковровые, штучные изделия и пр.), так как позволяют достигать больших значений напря женности электрического поля в плоскости. Реже в качестве электродов исполь зуются элементы конструк ций сушильных камер — Рис. 9. Виды электрных систем, применяемых транспортирующие устрой в ВЧ сушильных машинах.

ства (например, металличе ские ролики), крышки герметизирующихся емкостей, стойки и т.п. [36, 37]. Транспортирующие ленты изготавливаются из материала с низкими диэлектрическими потерями с целью исключения его нагрева в ВЧ поле.

Обычно в качестве такого материала используют полипропилен. Во всех конструкциях ВЧ сушильного оборудования корпус камеры сушки или корпус машины предусматривает защиту окружающей среды от электро магнитных излучений с целью предотвращения радиопомех и обеспече ния безопасности обслуживающего персонала. Системы обогрева и цир куляции воздуха, устройства рекуперации тепла в ВЧ сушильных маши нах традиционны для многих видов стандартного сушильного оборудова ния..

ВЧ сушильные машины выпускаются как за рубежом, так и у нас в стране. В качестве примера можно привести сушильную машину ТШК 3,5—И6 для сушки вискозного шелка в куличах [38]. Установка включает генератор ВЧГ—160/13 мощностью 160 КВт и частотой 13,56 МГц, и су шильную камеру с транспортирующим устройством непрерывного дейст вия. Рабочий конденсатор выполнен в виде вертикальных пластин — электродов, между которыми помещены паковки волокна, совершающие поступательное и вращательное движение. Такая схема обеспечивает вы сокую интенсивность и равномерность сушки. Машина снабжена устрой ствами для автоматической загрузки и съема куличей. Производитель ность установки — 3,5 т сухого шелка в сутки.

Во ВНИИТВЧ им. В.В. Вологдина разработана ВЧ сушильная уста новка ВЧД 17—60/13, предназначенная для сушки текстильных материа лов [39]. Это машина конвейерного типа, оснащенная генератором ВЧГ8—60/13 (60 КВт, 13,56 МГц). Она может использоваться для сушки самых разнообразных материалов — волокна насыпным слоем, ровнич ной ленты, нитей, пряжи в мотках, бобинах, шпулях, штучных швейных, трикотажных изделий и т.д.

За рубежом на выпуске ВЧ сушильного оборудования специализиру ется ряд машиностроительных фирм. Наибольшей известностью пользу ются фирмы "Strayfield International" (Англия), "Stalam" (Италия), "Krantz", "Siemens" (Германия) и др. Ниже приведем краткий обзор вы пускаемого ВЧ сушильного оборудования.

Фирмой "Strayfield International" выпускаются ВЧ сушильные машины с полезной (колебательной) мощностью от 25 до 150 КВт, которые могут использоваться для сушки волокон, чесальной ленты, нитей в клубках, мотках, паковках, на сновальных валиках и т.п. На одной из выставок тек стильного оборудования ITMA были пpедставлены сушильные машины, имеющие номинальные мощности 75 и 150 КВт. Их производительность при обработке пряжи из 100 % хлопка — до 190 кг/час, из смеси поли амидного волокна с хлопком — 320 кг/час, из смеси полиэфирного во локна с хлопком — 500 кг/час. Расход электроэнергии находится в пре делах 2,20—0,25 КВт/кг для полиэфирного волокна и 0,75—0,8 КВт/кг для хлопка [40, 41].

Фирма "Stalam" производит ВЧ сушильные машины периодического и непрерывного действия, состоящие из одной — четырех сушильных сек ций и образующих общий тоннель. Сушильная машина оснащена контро лируемыми и управляющими устройствами. Каждая сушильная камера имеет ВЧ генератор. Работа генератора управляется микропроцессором.

Испарительная способность сушилки при мощности 15 КВт — 18 кг воды в час;

при мощности 30 КВт — 36 кг воды в час [42, 43].

Английские фирмы "Greenbank — Darwen Engineering" и "Electricity Council Research Center" использовали комбинированный способ сушки текстильных материалов, сочетающий обработку горячим воздухом и ВЧ энергией, реализуемый на сушильной машине ARFA. Разработанный спо соб позволяет значительно (в 6 раз) повысить производительность при снижении удельных энергозатрат в сравнении с ранее используемыми способами сушки [44, 45].

Фирма "Krantz" (Германия) для экономии энергии установила в каж дой секции ВЧ машины теплообменники, через которые проходит отра ботанный и свежий воздух. В этом случае при работе машины в режиме сушки достигается 10 % экономия энергии, при работе в режиме термо обработки — экономия энергии составляет 25 %. Этой же фирмой разра ботана установка для аппретирования и сушки пряжи в бобинах. Уста новка состоит из двух центрифуг, транспортера и ВЧ сушильной машины.

Мощность установки составляет 160 КВт, производительность по шер сти — 800 кг/час [46, 47].

Рис. 10. Энергетический баланс ВЧ су шильной машины:

1— отработанный воздух;

2— рекуперация тепла воды, охлаждающей отработанный воз дух;

3— подаваемый воздух;

4— потери тепла в результате излучения;

5— потери тепла с высушиваемым материалом;

6— рекуперация тепла воды, охлаждающей генератор Представляет интерес рассмотреть энергетический баланс ВЧ сушиль ного оборудования на примере сушильной машины мощностью 60 КВт фирмы "Shool" (рис. 10) [48]. Как видно, доля мощности, потребляемая ВЧ генератором, составляет 83 % от общей мощности установки. Осталь ные 17 % расходуются калориферами и вентиляторами. КПД процесса ВЧ сушки повышают за счет тепла воды, предназначенной для охлаждения генератора, и отработанного нагретого воздуха, направляемого в сушиль ную камеру.

Сравнительный анализ работы ВЧ и обычного сушильного оборудова ния проведен одной из французских текстильных фирм, эксплуатирую щей ВЧ сушильную машину фирмы "Strayfield International" [49]. Ре зультаты представлены в табл. 6.

Табл. 6. Сопоставление удельных энергетических затрат ВЧ и традиционных сушильных машин Энергия, затрачиваемая на испарение 1 кг воды, КВт ВЧ сушилка Стандартное сушильное оборудование Вид волокна Электро- Тепловая Электро- Суммарная энергия энергия энергия энергия хлопок 1,45 1,60 1,59 3, хлопок — поли 1,25 1,60 0,95 2, эфир Экономия энергоносителей при использовании ВЧ сушки по сравне нию с конвективной и сушкой под давлением продемонстрирована на примере сушки шпуль в табл. 7 [50].

Табл. 7. Сравнение различных способов сушки волокна Материл Шерсть Хлопок Лавсан Начальная влажность, % 45 55 Конечная влажность, % 18 9 Конвективная сушка Расход электроэнер 0,76 1,08 0, гии, КВт/кг Расход пара, кг/кг 2,2 2,8 1, Сушка под давлением Расход электроэнер 0,288 0,360 0, гии, КВт/кг Расход пара, кг/кг 1,3 1,6 1, Расход воды, л/кг 7 8,5 ВЧ сушка Расход электроэнер- 0,47 0,75 0, гии, КВт/кг Примечание. Приведенная производительность — 250 кг материала в час.

Экономическая эффективность ВЧ сушки различных волокон в де нежном выражении отражена рис. 11 [50].

По данным фирмы "Strayfield International" сроки окупаемости ВЧ су шильных машин составляют от 12 до 24 месяцев [51]. Следует отметить, что только этой фирмой за первые 13 лет было выпущено и внедрено на текстильных предприятиях Европы и Азии 220 единиц ВЧ оборудования [52]. На основании этого можно констатировать, что данный класс су шильных машин прочно занял определенную нишу в спектре сушильного оборудования, а ВЧ способ сушки успешно конкурирует с традиционны ми в целом ряде технологических процессов текстильного производства.

1.5 ВЧ нагрев как фактор Общие затраты, 0, повышения эффективности 0, DM/кг технологических операций 0, красильно-отделочного 0, производства 1 2 Абсолютное большинство хи- Вариант мико-технологических процессов обработки обработки текстильных материалов в красильно-отделочном производ- Шерсть Хлопок Лавсан стве, включающего операции под готовки, колорирования и заключи Рис. 11. Затраты на энергоносители тельной отделки, базируются на для различных способов сушки:

использовании водных растворов 1 — конвективная сушка, 2 — сушка под или дисперсий тех или иных хими- давлением, 3 — ВЧ сушка ческих реагентов (окислителей, восстановителей, красителей, текстиль ных вспомогательных веществ и т. д.). В связи с этим практически любой технологический процесс, основанный на тепловлажностной обработке волокнистого материала, может быть объектом для интенсификации за счет применения диэлектрического способа нагрева. С этих позиций его можно считать универсальным методом активации процессов, что ниже будет продемонстрировано на большом числе примеров.

1.5.1 Подготовка хлопкосодержащих тканей Процессы подготовки тканей включают ряд технологических воздей ствий на текстильные материалы, применяемых для придания им ком плекса технологических и потребительских свойств (смачиваемость, бе лизна, очистка от естественных примесей и пр.). Операции подготовки тканей являются наиболее трудоемкими, протекают с высоким расходом химических реагентов, их длительность составляет 60—90 мин. Поэтому актуальной задачей является разработка интенсивных методов обработки тканей, позволяющих повысить эффективность процессов и качество тек стильных материалов. Для ее решения весьма привлекательным является применение диэлектрического способа нагрева, поскольку, как отмеча лось выше, все операции подготовки хлопчатобумажных тканей (рас шлихтовка, отварка, беление) основываются на тепловлажностной обра ботке волокнистых материалов. Важным моментом здесь является то, что в операциях подготовки текстильные материалы пропитываются состава ми, содержащими электролиты. По этой причине при разработке спосо бов подготовки тканей с использованием диэлектрического нагрева воз никает задача изучения влияния электролитов на процесс ВЧ нагрева ма териала, так как электролит, присутствующий в волокне, существенно изменяет его диэлектрические свойства и, как следствие, влияет на эф фективность диэлектрического нагрева.


- Электропроводность - - -4 - - 0 5 10 15 20 Концентрация, г/л Рис. 12. Зависимость удельной элек тропроводности электролитов от кон центрации и температуры:

— 20 оС;

— 80 оС;

1 — гидроксид натрия;

2 — силикат нат рия;

3 — пероксид водорода;

4 — мочевина Автором изучена взаимосвязь между электропроводностью электро литов, используемых в качестве реагентов в процессах отварки и беления целлюлозосодержащих тканей, диэлектрическими свойствами системы волокно — электролит и кинетикой ВЧ нагрева тканей [53]. Исследовали электропроводность ряда электролитов при 20 и 80 оС (рис. 12). Установ лено, что значение удельной электропроводности исследуемых электро литов убывает в ряду гидроксид натрия, силикат натрия, пероксид водо рода, карбамид и согласуется с величинами констант диссоциации данных электролитов.

При разработке ВЧ технологии обра ботки на первом плане стоит вопрос об изучении взаимодействия нагреваемого материала и высокочастотного поля.

Коэффициент потерь Взаимосвязь здесь характеризуют ди электрические свойства текстильного материала: тангенс угла диэлектрических потерь, относительная диэлектрическая проницаемость или интегральный показа тель — коэффициент диэлектрических 0 5 10 15 потерь К, являющийся произведением Концентрация, г/л первых двух показателей.

Рис. 13. Зависимость коэффициента На рис. 13 показано влияние концен диэлектрических потерь хлопчатобу- трации растворов электролитов на значе мажной ткани от вида и концентрации ние К для хлопчатобумажной ткани с от электролита:

носительной влажностью 100 % при час 1 — гидроксид натрия;

2 — силикат на тоте 27,12 МГц и температуре 20 оС. Со трия;

3 — пероксид водорода;

поставление результатов диэлектриче 4 — карбамид ских измерений с данными по электро проводности обнаруживает их корреляцию. При этом следует отметить 100 2 4 Температура ткани, оС Температура ткани, оС 20 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 Время ВЧ нагрева, с а) Время ВЧ нагрева, с б) Рис. 14. Кинетика ВЧ нагрева хлопчатобумажной ткани при концентрации элек тролитов 1 г/л (а) и 10 г/л (б):

1 — вода;

2 — гидроксид натрия;

3 — силикат натрия;

4 — пероксид водорода аномальный характер концентрационной зависимости величины К, полу ченной для мочевины. Зарегистрированное уменьшение коэффициента диэлектрических потерь, вероятно, можно объяснить специфическим влиянием мочевины на структуру воды [54], выражающегося в образова нии сольватных комплексов карбамид — вода и упрочнении структуры воды за счет образования сетки водородных связей, что подавляет коле бательное движение молекул воды и снижает эффективность их взаимо действия с ВЧ полем.

Изучили влияние электролитов на кинетику ВЧ нагрева хлопчатобу мажной ткани при концентрации электролита 1 и 10 г/л (рис. 14,а,б). Из графиков видно, что тип и концентрация электролита оказывает заметное влияние на скорость ВЧ нагрева, причем степень этого влияния согласу ется с данными по электропроводности и диэлектрическими свойствами.

Можно заключить, что наиболее эффективное влияние на скорость ВЧ нагрева оказывает гидроксид натрия при концентрации 1 г/л. Так, время нагрева ткани до 100 оС по сравнению с остальными электролитами со кращается с 30—35 с до 7 с. Установленный факт объясняется тем, что гидроксид натрия, будучи сильным электролитом, обуславливает увели чение полярности системы, что приводит к повышению диэлектрических потерь и эффективности ВЧ нагрева.

Вместе с тем, увеличение концентрации гидроксида с 1 до 10 г/л явля ется причиной усиления ионной проводимости и, как следствие, возрас тания электропроводности волокнистого материала до уровня, когда волокно становится эффективным проводником электрического тока и утрачивает свойства диэлектрика. При помещении текстильного материала с такими электрофизическими свойствами между электродами ВЧ конденсатора происходит его разрядка (пробой) и диэлектрический нагрев материала становится затруднительным, что проявляется в заметном снижении скорости нагрева. Принимая во внимание отмеченные факты, выбор оптимальных концентраций электролитов в технологическом растворе необходимо осуществлять с учетом специфических особенностей диэлектрического нагрева.

В Ивановском НИЭКМИ автором с сотрудниками проведены исследо вания по изучению возможности применения ВЧ нагрева для интенсифи кации процессов расшлихтовки, отварки и беления хлопчатобумажных тканей. Эффективность удаления с ткани сопутствующих естественных примесей и загрязнения, обусловленных предшествующими технологиче скими стадиями, во многом определяется операцией расшлихтовки. Как известно, наиболее распространенным шлихтующим агентом, применяе мым на отечественных текстильных предприятиях, является крахмал. Од ним из наиболее эффективных и современных способов удаления с тканей крахмальной шлихты является применение ферментных катализаторов Табл. 8. Влияние метода активации процесса ферментной расшлихтовки Время Качественные показатели ткани Метод активации обработ- Расшлих- Капилляр- Потеря проч ки товка, % ность, мм/час ности, % Пропитка 12 с 66,6 0—50 — ферментом Запаривание при 30 мин 75,9 110 0, 100 оС ВЧ нагрев 30 с 75,0 145 0, периодический ВЧ нагрев 30 с 75,4 142 0, непрерывный Примечание. 1) ткань предварительно пропитывалась раствором фермента при 50 оС в течение 12 с;

2)параметры ВЧ обработки — частота — 27,12 МГц, напряжение на электродах для периодического процесса — 6,2 В, для непре рывного — 70 В, расстояние между электродами — 1 см.

амилолитического действия, обеспечивающих гидролиз крахмала и уда ление последнего с ткани [55]. С целью активации процесса ферментной расшлихтовки предложено обработку ткани осуществлять в ВЧ поле. В табл. 8 приведены сравнительные данные по результатам расшлихтовки хлопчатобумажной ткани бязь ферментным препаратом амилосубтилин Г3Х при различных вариантах активации процесса [56].

Как видно, применение ВЧ нагрева в течение 30 с позволяет получить такие же результаты расшлихтовки ткани, как при 30 минутном запарива нии. При этом показатель капиллярности ткани возрастает на 32—35 мм.

Полученный эффект, очевидно, обусловлен взаимным усиливающим влиянием на процесс гидролиза крахмала и других гидрофобных приме сей волокна биопрепарата и энергии ВЧ поля.

Провели оценку влияния воздействия ВЧ поля на лигни нолитические свойства фермен та, так как разрушение окра 1, Оптическая плотность (D) шенных примесей хлопка со ставляют особую трудность. На 0, рис. 15 представлены спектро фотометрические кривые рас творов навески хлопчатобумаж- 0, ной ткани в диоксане, на осно- вании которых можно провести 0, 280 300 320 340 сравнительную оценку эффек Длина волны, нм тивности разрушения окрашен ных компонентов лигнина в Рис. 15. Оптическая плотность растворов условиях ВЧ нагрева и обычно- хлопчатобумажной ткани в диоксане:

го запаривания. Как видно, при 1 — суровый образец, 2 — запаривание 15 с, одинаковой продолжительности 3 — ВЧ нагрев 15 с, 4 — запаривание 5 мин.

обработки 15 с в случае диэлек трического нагрева оптическая плотность диоксановых растворов в об ласти 300 нм, характерной для лигнина, имеют меньшее значение по сравнению с обычным запариванием, что говорит о повышении лигнино литической активности фермента под воздействием ВЧ поля. Можно так же отметить, что кратковременная ВЧ обработка по эффективности раз рушения лигнина адекватна 5-ти минутному запариванию.

В связи с выявленными эффектами оценена возможность активации ВЧ полем процесса беления в условиях двухстадийной обработки, вклю чающей ферментативную расшлихтовку и перекисное беление. Получен ные качественные показатели обработанных тканей представлены в табл. 9.

Табл. 9. Влияние метода активации процесса ферментной расшлихтовки на качественные показатели тканей Время ВЧ обработки Качественные показатели Капиллярность, расшлихтовки, Расшлихтовка прочности, % белизны, % Степень Степень Беление Потеря мм/час Ткань % 30 с 3 мин 90,8 145 75,2 1, Бязь 30 с 5 мин 95,0 155 77,5 7, Рубин 30 с 5 мин 90,0 163 82,5 7, Примечание. Отбеливающий состав содержал (г/л): пероксид водорода — 10;

гидроксид натрия — 1,5;

силикат натрия — 12;

карбамид — 10;

смачиватель — 1.

Табличные данные свидетельствуют о возможности реализации уско ренного двухстадийного способа расшлихтовки и беления хлопчатобу мажных (бязь) и хлопколавсановых (рубин — 50 % хлопка, 50 % лавсана) тканей в условиях кратковременного (5 мин) ВЧ нагрева при сохранении механической прочности волокна в допустимых пределах.

Современной тенденцией развития процессов отделки тканей является совмещение нескольких разрозненных операций в одну стадию. В связи с этим оценена возможность объединения трех стадий подготовки тканей в одну на основе сочетания ферментного и окислительного действия, и ак тивации физико-химических процессов за счет энергии ВЧ поля. Способ состоял в том, что технологический состав содержал одновременно реа генты, предназначенные для ферментативной расшлихтовки (амилосуб тилин), щелочной варки (гидроксид натрия) и окислительного беления (пероксид водорода), а обработку ткани осуществляли путем ее нагрева в ВЧ поле. При определении оптимального состава перед авторами стояла задача компромиссного характера, которая обуславливалась следующими обстоятельствами. Известно, что пероксид водорода может использовать ся как для процесса расшлихтовки, так и для беления. Однако оптималь ные условия для осуществления этих процессов различные. С другой сто роны, гидроксид натрия создает щелочную среду, фермент же обладает максимальной активностью в нейтральной среде. В процессе беления также должен быть соблюден определенный баланс между пероксидом водорода и стабилизатором пероксида — силикатом натрия.


Для определения оптимального технологического состава совмещен ного процесса расшлихтовки, отварки и беления использовали метод ма тематического моделирования, основанный на множественном регресси онном анализе, и специальные программные средства 1, реализуемые с помощью персонального компьютера. Следует отметить, что в отличие от традиционных методов построения регрессионных моделей [57], преду сматривающих проведение строго спланированных экспериментов, в дан ном случае (а также в ряде цитируемых далее работ) авторами использо вался метод вариации факторов на произвольных уровнях. Планирование эксперимента со случайным сочетанием параметров по своей идейной основе подобно методу аппроксимации в многомерных областях с хаоти чески расположенными интерполяционными узлами [58].

Y Рис. 16. Влияние концентрации перок сида водорода (Х1), гидроксида натрия (Х2) на качественные показатели хлоп чатобумажной ткани:

а) степень расшлихтовки (Y1), б) капиллярность (Y2), в) белизна (Y3) Получили ряд уравнений регрессии, в которых функциями являлись качественные показатели обработанной ткани, а переменными фактора ми — концентрация химических реагентов. В качестве иллюстрации на Для целей моделирования использовались программные средства, разработан ные д.х.н. Телегиным Ф.Ю. (ИГХТУ) рис. 16 в трехмерных координатах приведены модельные зависимости степени расшлихтовки, капиллярности и белизны хлопчатобумажной тка ни (парусина "ЭТ") от концентрации пероксида водорода и гидроксида натрия. Из графиков видно, что концентрация пероксида не является кри тической по отношению к амилолитической активности фермента и не сказывается отрицательно на процессе разрушения крахмальной шлихты (рис. 16,а) и капиллярности ткани (рис. 16,б). Заметно большее влияние на эти показатели оказывает изменение щелочности раствора. Максималь ные значения степени расшлихтовки и капиллярности ткани получены при минимальной щелочности и составляют соответственно 80—100 % и 150—160 мм. Увеличение концентрации едкого натра до 2 г/л снижает степень расшлихтовки на 50 % и капиллярность — на 60 мм, что связано с дезактивацией фермента в этих условиях. Белизна же ткани (рис. 16,в) в значительной степени определяется концентрацией щелочи и ее макси мальное значение достигается при концентрации едкого натра 3 г/л. Уста новлено также, что повышение концентрации силиката натрия обеспечи вает увеличение степени белизны, однако приводит к снижению капил лярности и степени расшлихтовки ткани.

Таким образом, исследования показали, что применение ВЧ нагрева в сравнении с традиционной запарной обработкой (продолжительность 30—60 мин) обеспечивает уменьшение продолжительности процесса до 3—5 мин, снижение содержания гидроксида натрия (0,5—1 г/л) и силика та натрия (до 5 г/л). На основании этого можно утверждать, что получен ные результаты создают предпосылки для разработки эффективной ВЧ технологии беления хлопкосодержащих тканей.

1.5.2 Карбонизация шерстяного волокна Одной из наиболее ответственных операций в технологии подготовки шерстяного волокна является карбонизация, цель которой состоит в уда лении из волокна целлюлозных примесей. Процесс карбонизации основан на избирательном разрушении целлюлозных примесей сильной кислотой в условиях высокотемпературного (110—150 оС) прогрева обезвоженного волокна. Лимитирующей стадией карбонизации является процесс сушки — термообработки ("выжига"), продолжительность которой составляет 30—60 мин. Ускорение процесса "выжига" в условиях конвективного на грева путем повышения температуры обработки затруднительно из-за опасности повреждения волокна.

В Ивановском НИЭКМИ изучена возможность применения диэлек трического нагрева для интенсификации процесса карбонизации шерстя ного волокна [59]. Для исследований использовали экспериментальную ВЧ установку, снабженную промышленным ВЧ генератором с рабочей частотой 13,56 МГц и мощностью 60 КВт.

Одной из задач при оптимизации технологического процесса карбони зации в условиях ВЧ нагрева является определение диэлектрических свойств шерстяного волокна. Выше было показано, что эти свойства ма териалов в значительной степени зависят от влагосодержания. В связи с этим исследовали влияние на относительную электрическую проницае мость и тангенс угла диэлектрических потерь шерстяного волокна отно сительной влажности, а также плотности его укладки. Полученные ре зультаты приведены в табл. 10, на основании которых можно констатиро вать, что результатом обезвоживания волокна с 70 до 10 % является уменьшение диэлектрической проницаемости в 2,5—4,5 раза, а тангенса угла диэлектрических потерь — в 12—47 раз. Обращает на себя внимание заметное влияние плотности укладки волокна на диэлектрические свойст ва: при ее увеличении в 3 раза диэлектрическая проницаемость возрастает в 1,3—2,3, а тангенс угла потерь — в 1,7—6,5 раза.

Табл. 10. Диэлектрические характеристики шерстяного волокна Уд.

м Относительная влажность волокна, % масса, tg кг/м 10 20 30 40 50 60 м 1,10 1,26 1,45 1,68 1,97 2,38 2, tg 0,0008 0,048 0,087 0,144 0,189 0,275 0, м 1,24 1,42 1,75 2,17 2,63 3,18 3, tg 0,027 0,061 0,112 0,162 0,230 0,313 0, м 1,22 1,42 1,77 2,22 2,98 3,65 4, tg 0,022 0,082 0,177 0,270 0,360 0,450 0, м 1,18 7 1,88 2,47 3,14 3,90 4, tg 0,008 0,073 0,166 0,264 0,365 0,470 0, м 1,42 1,90 2,56 3,28 4,10 5,03 6, tg 0,052 0,125 0,207 0,291 0,404 0,524 0, Примечание. Уд. (удельная) масса характеризует плотность укладки волокна, которая выражается в количестве пряжи, приходящейся на единицу поверхности электродных пластин ВЧ конденсатора.

С целью оптимизации процесса диэлектрического нагрева с использо ванием метода множественного регрессионного анализа получили мате матическую модель зависимости коэффициента диэлектрических потерь от влажности и плотности шерстяного волокна, которая представлена на рис. 17 в графическом виде в трехмерных координатах. Практическая значимость полученной модели состоит в том, что при проведении расче тов с ее помощью можно прогнозировать значение фактора диэлектриче ских потерь, задаваясь конкретными значениями влажности и плотности укладки шерстяного волокна.

Другим фактором, влияющим на процесс ди электрического нагрева, яв ляется присутствие серной кислоты в шерстяном волок не, что существенно изменя ет диэлектрические свойства материала.

Из данных табл. 11 мож но увидеть, что в области рабочей концентрации сер ной кислоты (50 г/л) коэф фициент диэлектрических Рис. 17. Зависимость коэффициента диэлек трических потерь от влажности и плотности потерь возрастает по сравне укладки волокна. нию с нулевой концентраци ей (техническая вода) в 2,4 раза. Это положительно сказывается на интен сивности ВЧ нагрева волокна.

Табл. 11. Влияние концентрации серной кислоты на диэлектрические свойства шерстяного волокна Концентрация Тангенс угла Диэлектрическая Коэффициент диэлек H2SO4, г/л потерь постоянная трических потерь 0 0,030 60 1, 5 0,038 70 2, 10 0,043 65 2, 20 0,043 65 2, 30 0,049 60 2, 50 0,073 60 4, Отметим, что рассмотренные выше факторы (влагосодержание, плот ность укладки, концентрация H2SO4) оказывают влияние на ВЧ нагрев посредством изменения диэлектрических свойств нагреваемого материа ла. Не менее важным параметром, определяющим динамику процесса ВЧ карбонизации, является напряженность электрического поля. Влияние данного параметра на кинетику сушки шерстяного волокна в ВЧ поле проиллюстрировано на рис. 18.

Предваряя анализ графических данных, необходимо пояснить важную особенность процесса карбонизации, которая состоит в том, что данный процесс делится на две стадии. Первая стадия — это обычная сушка во локнистого материала до кондиционной влажности, а вторая — собствен но процесс "выжига" целлюлозо содержащих примесей, который протекает в волокне при сниже- Относительная влажность, % нии влажности с 15—16 % до 1,5—2 %.

При более высокой влажности обугливание целлюлозных при- влажность месей недостаточно, а при пере- сушке волокна до более низкой 10 влажности появляется опасность его повреждения. Из полученных 0 2 4 6 8 экспериментальных данных сле- Время ВЧ нагрева, с дует, что для осуществления про цесса ВЧ сушки волокна до кон- Рис. 18. Влияние напряженности элек диционной влажности оптималь- трического поля на кинетику сушки шерстяного волокна:

ными являются напряженность 1—4 — напряженность 200, 300, 400 и поля 400—500 В/см, при которой В/см Относительная влажность, % 3 12 Степень выжига, бал.

6 2 0 0 2 4 6 8 10 2 3 4 5 6 Время ВЧ нагрева, мин.

Время ВЧ нагрева, мин.

Рис. 19. Кинетика сушки шерстяного Рис. 20. Кинетика "выжига" целлюлоз волокна: ных примесей:

1,2 — напряженность 400 В/см при плотно- 1, 2 — напряженность 500 В/см при плотно сти 4 и 8 кг/м2;

3, 4 — 500 в/см, 4 и 8 кг/м2;

сти укладки 4 и 8 кг/м2;

3,4 — 600 В/см, 4 и 5, 6 — 600 В/см, 4 и 8 кг/м2 8 кг/м волокно высушивается до 15 % влажности за 2 с обработки. В то же время наблюдается заметное замедление процесса сушки волокна на заключи тельной стадии. Одной из причин этого является снижение эффективно сти ВЧ нагрева в результате уменьшения фактора диэлектрических потерь высушиваемого волокнистого материала.

Повысить интенсивность ВЧ нагрева на стадии "выжига" раститель ных примесей возможно двумя способами. Первый способ можно охарак теризовать как энергетический, т.к. он предусматривает повышение на пряженности электрического поля. Второй способ, который не требует дополнительных затрат электрической энергии, основан на повышении интенсивности ВЧ нагрева путем увеличения фактора диэлектрических потерь за счет более плотной укладки волокна. Вышесказанное проде монстрировано на рис. 19, из которого видно, что увеличение плотности укладки волокна (удельной массы) с 4 до 8 кг/м 2 обеспечивает ускорение процесса сушки, аналогичное повышению напряженности поля с 500 до 600 Вт/см (при плотности укладки 4 кг/м 2). Вместе с тем, как показали исследования (рис. 20), повышение плотности укладки волокна положи тельно сказывается и на результатах "выжига" целлюлозных примесей.

Так, степень обугливания (оцениваемая в баллах по 10-ти бальной шкале) за время ВЧ нагрева 3 мин при напряженности 500 Вт/см и плотности укладки 4 кг/м2 составила 3 балла, а при плотности укладки 8 кг/м2 воз росла до 7—9 баллов.

Отмеченное повышение эффективности процесса "выжига", очевидно, объясняется тем, что с ростом плотности укладки волокна затрудняется теплообмен с окружающей средой и создаются условия для аккумуляции тепла внутри материала и повышения температуры обработки выше 100 оС. Однако необходимо иметь ввиду, что при увеличении плотности укладки выше определенного уровня имеет место локальный перегрев волокна, сопровождающийся его обугливанием.

В процессе карбонизации важно сохранить исходные свойства волокна для последующего прядения, т.к. в условиях процесса карбонизации шер стяное волокно неизбежно получает некоторое повреждение. Определен ные свойства шерсти, изменяющиеся в процессе обработки, могут слу жить критерием степени повреждения волокна (табл. 12).

Табл. 12. Качественные показатели шерстяного волокна Разрывная нагрузка Относит.

Состояние Растворимость удлинение шерстяного пучком, одиночного шерсти, % одиночного волокна СН/текс волокна, СН волокна, % Исходное волокно 14,0 11,5 38 6, Обработанное в 11,5 9,7 35 10, ВЧ поле Обработанное на 12,0 10,8 36 8, фабрике Влияние ВЧ нагрева в процессе карбонизации оценивалось в сравне нии с волокном, прошедшим карбонизацию в условиях фабричного про изводства. Сопоставление табличных данных свидетельствует о том, что степень повреждения волокна в условиях ВЧ нагрева не превышает уров ня фабричной технологии карбонизации.

1.5.3 Крашение текстильных материалов Главный вклад в формирование потребительских свойств готовых тек стильных материалов вносит стадия колорирования (включающая краше ние и печатание материалов), что определяет ее исключительную важ ность среди других процессов отделки тканей. Это нашло отражение в максимальном исследовательском интересе к проблеме применения ди электрического нагрева для интенсификации процессов фиксации краси телей волокнистым материалом.

Согласно представленной в обзоре [60] классификации существующие способы крашения, основанные на диэлектрическом нагреве, можно раз делить на три основные группы. К первой группе относятся способы кра шения путем диэлектрического нагрева влажного материала, пропитанно го технологическим составом. Вторую группу составляют способы, пре дусматривающие комбинированное воздействие на материал электромаг нитной энергии и теплоносителя (горячего воздуха или водяного пара). И третья группа включает способы обработки материалов электромагнит ным излучением при избыточном давлении.

Рассматривая способы, составляющие первую группу, можно отме тить, что фиксация красителей волокнистыми материалами осуществля ется в процессе нагрева материала за счет присутствия в волокне поляр ного соединения, которое поглощает электромагнитную энергию и тем самым обеспечивает разогрев материала до температуры кипения поляр ного вещества. При обработке тканей из гидрофильных волокон таким реагентом является вода, пластифицирующая полимер и обеспечивающая эффективный разогрев волокна и его окрашивание при температуре 100 оС. В качестве примера можно привести способ крашения текстиль ных материалов активными красителями [61], согласно которому отбе ленную хлопчатобумажную ткань плюсуют водным раствором красителя, после чего ткань отжимают и во влажном виде подвергают воздействию ВЧ излучения с частотой 36 МГц в течение 45 с. После промывки ткани получают окраску, отличающуюся высокой равномерностью и прочно стью к свету и мокрым обработкам.

Предложен ряд способов фиксации красителей на тканях из гидро фобных синтетических волокон. Отличительным признаком данной груп пы способов является то, что в качестве полярного компонента использу ются органические соединения, например, мочевина, или высококипящие органические растворители, частично или полностью заменяющие воду в красящем составе. Так, в способе крашения полиэфирных волокон или смеси их с другими волокнами красильный состав содержит хотя бы один органический растворитель, имеющий высокий коэффициент ди электрических потерь, температуру кипения от 120 оС и не превышаю щую температуру плавления полиэфира или других волокон [62]. Кон кретно, в качестве таких растворителей рекомендуют применять глице рин, этилен- и пропиленгликоль, диметил- и диэтилсульфоксид, диметил и диэтилформамид, бензиловый спирт, нитробензол и др.

Многочисленные исследования, проведенные как у нас, так и за рубе жом, показали, что высокочастотный нагрев может быть с успехом ис пользован в крашении текстильных материалов для интенсификации про цесса фиксации красителей волокном как в непрерывных, так и в перио дических способах обработки [63].

В условиях периодического способа крашения синтетических волокон [64, 65] переменное электромагнитное поле при наложении на красиль ный раствор и окрашиваемое волокно оказывает активирующее действие на процесс фиксации дисперсных красителей. Выявлено, что переменное электрическое поле при воздействии его на красильный раствор оказыва ет диспергирующее воздействие на суспензию красителя, обеспечивая постоянную степень дисперсности красителя в течение всего процесса крашения без введения диспергирующих веществ и без дополнительного расхода тепловой или механической энергии для перемешивания. При этом скорость растворения дисперсных красителей в воде возрастает бо лее чем в 20 раз, что приводит к увеличению растворимости до значений, вполне приемлемых для ведения процесса крашения при температуре ни же 100 оС [66]. Установлено, что при наличии электрического поля сорб ция дисперсных красителей полиэфирным волокном возрастает в 4,5 раза при температуре крашения 80 оС без добавления диспергатора [67].

Воздействие ВЧ поля на красильную жидкость сопровождается выде лением теплоты вследствие диэлектрических потерь, что способствует интенсификации процесса окрашивания как в известной форме тепловой активации, так и путем высвобождения газов, включенных в дисперсию и в текстильный материал. Благодаря вышеуказанным факторам при воз действии ВЧ поля можно получать проникающее окрашивание синтети ческих волокон без добавления специальных ТВВ и повышения темпера туры и давления, применяемых в традиционных способах для ускорения периодического крашения. В качестве примера приведем результаты ис следования [68] по интенсификации крашения синтетических волокон энергией ВЧ поля (табл. 13).

Табл. 13. Крашение синтетических волокон по периодическому способу в ВЧ поле Выход красителей на волокне, г/кг Способ полиакрилонитрильное полипропиленовое крашения астразан астразан целлитон резолин розовый синий синий оранжевый Без поля 67,75 75,05 21,5 22, ВЧ поле 112,5 110,0 25,87 27, Примечание. Параметры ВЧ обработки — мощность 2 КВт, частота 17 МГц;

параметры крашения — модуль ванны 1:100, концентрация красителя 3 %, тем пература 70 оС, продолжительность крашения 30 мин, без добавок ТВВ.

Как видно из таблицы, эффект воздействия ВЧ энергии на систему красильный раствор — волокно не одинаков для различных видов воло кон и красителей. Так, максимальное активирующее действие ВЧ энергии наблюдается в случае крашения полиакрилонитрильного волокна основ ными красителями – накрашиваемость возрастает на 47—66 %. В этих же условиях увеличение выхода дисперсных красителей на полипропилено вом волокне составляет порядка 20 % Это, принимая во внимание тот факт, что полипропиленовое волокно является наиболее трудно окраши ваемым из всех существующих видов волокон, является, безусловно, по ложительным результатом.

В арсенале существующих способов колорирования тканей можно вы делить ряд способов, для которых наиболее оправдано применение ВЧ нагрева для ускорения фиксации красителей. Рассмотрим так называемый плюсовочно-накатный способ крашения, когда полотно ткани, пропитан ное раствором красителя, накатывается в ролик и в таком виде выдержи вается несколько часов при комнатной температуре. По этой причине данный способ называют еще "холодным". В крашении шерсти он не смотря на большую продолжительность процесса фиксации красителей привлекателен для технологов высокой равномерностью окраски, мини мальным повреждением шерстяного волокна и исключением повторного чесания гребенной ленты, которое обычно необходимо после традицион ных способов крашения [69]. Поэтому исследователями предпринимались попытки сокращения времени вылеживания волокна, при этом испытыва лись разнообразные варианты нагрева шерстяного волокна с целью его интенсификации (конвективный, нагрев под избыточным давлением, ИК нагрев). Однако, все они из-за неравномерности нагрева оценивались не удовлетворительно. Решить проблему удалось только при использовании ВЧ нагрева. Равномерное повышение температуры по всему объему во локна с 20 до 40 оС за счет диэлектрического нагрева позволило сократить продолжительность процесса вылеживания до 1—3 часов (т.е.

как минимум в 4) раза при увеличении выхода металлокомплексных кра сителей на шерстяном волокне с 65,1—69,6 до 92,3—98,2 %.

ВЧ энергия с не меньшим успехом получила применение и для интен сификации плюсовочно-накатного способа при крашении хлопчатобу мажной ткани активными красителями [70]. Сравнительные данные по крашению хлопка "холодным" способом, а также "горячим" с использо ванием ВЧ нагрева приведены ниже в табл. 14. Условия "горячего" спосо ба были таковы, что пропитанный красильным раствором образец ткани (длиной 5,5 м и шириной 15 см) в виде ролика нагревался в ВЧ поле до температуры 90 оС в течение 10—15 с, после чего ткань вылеживалась в течение 5 мин. и повторно подвергалась ВЧ нагреву. Продолжительность "холодного" способа составляла 6—24 часа.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.