Развитие теории и практики получения и применения низкократных пен в технологических процессах текстильного производства

Коренная проблема современного этапа развития отечественной текстильной промышленности состоит в повышении конкурентоспособности ее продукции. Путь ее решения лежит в повышении качества продукции, а также в снижении издержек производства, при этом низкая стоимость рабочей силы не является доминирующим фактором с учетом существующих особенностей рынка рабочей силы в Юго-Восточной Азии и других регионах, являющихся нашими конкурентами.

Применительно к текстильному и отделочному производствам снижение издержек может быть достигнуто, прежде всего за счет: сокращения расхода технологической воды;

— снижения энергетических затрат на сушкусокращения расхода основных и вспомогательных веществ;

— увеличения производительности оборудованияснижения вредного влияния текстильного производства на окружающую средуснижения производственных затрат на выпуск продукции.

Перспективным направлением решения данных задач является использование новых, передовых технологий, к числу которых бесспорно относится пенная технология. Это обусловлено, прежде всего тем, что применение пен в качестве технологических сред в подготовительных и отделочных процессах текстильного производства позволяет переводить относительно небольшие количества растворов в двухфазную газожидкостную систему, характеризующуюся значительно большим объемом, чем объем вспениваемой жидкости.

Пенная технология позволяет также решать и ряд других важных задач, связанных непосредственно с особенностями текстильного производства, и позволяющая повысить качество продукции, придать ей новые потребительские свойства, а также получить значительный экономический эффект. К их числу, в частности, можно отнести:

— расширение ассортимента отделочных операций с получением оригинальных колористических эффектов;

— обеспечение возможности локального нанесения отделочных препаратов на лицевую или изнаночную сторону текстильного материала;

— повышение вязкости наносимых растворов;

— снижение нагрузок, действующих на обрабатываемый материал;

— уменьшение миграции отделочных препаратов и другие.

Понятно, что при таком наборе положительных качеств перспективность пенной технологии сохранится еще долго, предопределяя острую актуальность теоретических и экспериментальных ее исследований.

Интерес к пенам как к технологическим средам возникал периодически, и впервые обработка текстильных изделий в пене была предложена еще в 1931 году. В многочисленных патентных заявлениях предлагалось применение вспененного раствора для отделки, крашения и печатания тканей.

В 50-е годы изучалась возможность применения пен в качестве печатных красок для пигментной печати. Основанием для этого служил тот факт, что пены во многом схожи по своим свойствам с эмульсиями, широко применявшимися в качестве загустки в печатных красках.

В 70-е и 80-е годы по мере возрастания остроты проблемы охраны окружающей среды, пены, как технологические среды, использовались с переменным успехом в подготовительных и отделочных операциях, таких как беление, крашение, печатание, карбонизация и заключительная отделка текстильных материалов, т. е. во всех тех операциях, которые связаны с потреблением больших объемов воды. Применение пенных технологических сред, в данном случае, позволяет значительно сократить количество потребляемой воды и снизить затраты на выпуск единицы продукции.

За последние двадцать лет был накоплен большой экспериментальный материал, обобщение которого позволило выявить преимущества и недостатки пенной технологии, а также предложить целый ряд технологических процессов отделочного производства с использованием пен в качестве технологических сред.

Однако, до настоящего времени пенная технология не получила широкого распространения на отделочных предприятиях текстильной промышленности.

Основной причиной столь осторожного отношения работников производственной сферы к данной технологии объясняется высокой степенью риска работы с неустойчивыми системами, к которым относится пена. Для получения воспроизводимых результатов при подготовке или отделке текстильных материалов необходимо, чтобы заданные параметры определяющих свойств обрабатывающей среды (плотность, концентрация, вязкость, температура, рН и др.) оставались постоянными в определенном временном интервале.

Кроме того, при использовании технологических пен требуется более жесткий контроль за структурой текстильного материала, его волокнистым составом и капиллярными свойствами.

Отсутствие отработанных технологических процессов и оборудования текстильного производства с использованием пенной технологии во многом обусловлено отсутствием системного комплексного подхода к исследованию этой интересной, но сложной технологии. Большое число работ, выполненных к настоящему времени, носили односторонний, отрывочный характер, когда рассматривались лишь отдельные, хотя и интересные аспекты данной проблемы. Такой подход не позволял создать работоспособные в условиях отечественного производства аппараты и техпроцессы.

Данная актуальная проблема может быть решена, на наш взгляд, лишь при системном, комплексном подходе к изучению и разработке процессов пенной технологии с взаимоувязыванием вопросов получения пен, нанесения их на текстильный материал и взаимодействия с последним.

К числу наиболее глубоких и систематизированных исследований в области пенной технологии и, в частности, печатания текстильных материалов, можно отнести работы Киселева A.M.

Анализ полученных им данных, а также результатов ранних исследований автора [1−3] позволяет сделать важный вывод, который заключается в том, что широкое внедрение пенной технологии в производство возможно только в том случае, когда для конкретных технологических процессов будет предусматриваться специализированное пеногенерирующее и пенонаносящее оборудование.

Это еще раз подтверждает актуальность темы диссертационной работы и целесообразность проведения комплексных исследований в области текстильной науки и практики, направленных на разработку научно обоснованных технологических и технических решений, способствующих более широкому применению пенной технологии в текстильном производстве.

Цель настоящей диссертационной работы заключалась в научном обосновании, разработке и внедрении практически значимых и аппара-турно оформленных пенных технологических процессов текстильного и красильно-отделочного производств текстильной промышленности, обеспечивающих выпуск текстильных материалов с улучшенными потребительскими и эксплуатационными свойствами при одновременном снижении стоимости за счет уменьшения энергетических и материальных затрат при их производстве.

Для достижения поставленной в диссертационной работе цели были решены следующие задачи:

— проведен анализ работ, выполненных в области пенной технологии, и оценены результаты ее использования в текстильном производстве;

— выполнены теоретические и экспериментальные исследования процесса пенообразования и свойств получаемой пены при механическом перемешивании пенообразующих жидкостей;

— выполнены теоретические и экспериментальные исследования процесса пенообразования и свойств получаемой пены при барботаже газа в пе-нообразующую жидкость;

— проведены теоретические и экспериментальные исследования реологических свойств высокодисперсных низкократных пен;

— изучены закономерности, характеризующие гидродинамическую устойчивость пены, и исследованы факторы, влияющие на изменение поверхностно-объемных свойств обезвоженных пен;

— проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса взаимодействия высокодисперсных пен с текстильными материалами;

— с учетом структурно-механических свойств текстильных материалов и кратности пены предложен механизм взаимодействия между ними- ;

— разработаны методики и экспериментальные лабораторные установки для получения и нанесения высокодисперсных пен на текстильные материалы, а также изучения их свойств;

— разработаны новые научно обоснованные эффективные технологические и технические решения: а) в области карбонизации шерстиб) в области прядения натуральных и химических волоконв) в области шлихтования и полихроматического крашения нитей основыг) в области печатания текстильных материаловд) в области крашения трикотажных полотен.

— сконструированы и изготовлены опытные образцы пеногенерирующих и пенонаносящих устройств, реализующих разработанные в диссертационном исследовании технологические и технические решения в области прядения, ткачества и отделки текстильных материалов;

— проведена производственная апробация разработанных технологических и технических решений и составлены рекомендации по их внедрению в текстильное производство.

Объектами исследований в диссертационной работе являлись:

— высокодисперсные низкократные пены;

— образцы опытных пеногенераторов, реализующих различный принцип получения пены;

— устройства для нанесения пены на текстильные материалы;

— репейная шерсть;

— продукты прядильного производства — шерстяная лента, ровница и пряжа гребенной системы прядения, льняная пряжа;

— ткани и трикотажные полотна различного волокнистого состава.

При проведении теоретических исследований были использованы методы теории подобия и анализа размерностейосновные положения гидродинамики и основы теории массопереноса в капиллярно-пористых телах.

Экспериментальные исследования проводились с применением методов физического моделирования, дисперсионного анализа, реологических и физико-механических испытаний, спектрофотометрических измерений. Эксперименты проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры и специально разработанных и изготовленных лабораторных стендов. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики на ПЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в новом, комплексном подходе к объекту исследования, заключающемся в проведении теоретических и экспериментальных исследований на стыке коллоидной химии, химии поверхностных явлений, процессов и аппаратов химической технологии, текстильной химии и текстильного материаловедения.

Использование данного подхода позволило получить новые научные результаты, к числу которых относятся: разработка научных основ получения высокодисперсных однородных пен с заданными свойствами и применения их в технологических процессах текстильного и отделочного производстввыявление закономерности образования и диспергирования пен при использовании скоростных мешалок. Получение математических выражений для анализа и расчета плотности и поверхностно-объемных свойств пены в зависимости от свойств пенообразующей жидкости и параметров перемешивающих устройств;

— теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение закономерности, характеризующей зависимость кратности монодисперсной пены, получаемой при барботаже газа в жидкость, от вязкости пенообразующей жидкости, ее плотности и поверхностного натяжения ша границе раздела двух фаз, а также от среднего диаметра пузырьков газа;

— теоретическое обоснование причины образования воздушных пробок и снарядного движения пены при перемещении ее по напорным трубопроводам;

— разработка основ теории течения высокодисперсных низкократных пен в поле сдвиговых напряжений. Установление закономерностей, характеризующих реологические свойства пен в зависимости от их плотности, дисперсности и вязкости пенообразующей жидкости;

— теоретическое обоснование и экспериментальное определение условий получения устойчивых пен и выявление закономерностей, характеризующих процесс их разрушения. Вывод расчетного уравнения для определения скорости истечения жидкости из пены в начальный период после ее получения;

— разработка и исследование механизма распределения жидкости, выделившейся из пены, в структуре текстильного материала;

— метод расчета требуемой кратности наносимой пены от структурно-механических свойств текстильного материала;

— научное обоснование подхода к разработке и конструированию барбо-тажных насадочных пеногенераторов и насадочных пеногенераторов с предварительным барботажем газа в жидкости.

Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в том, что они могут быть использованы и используются:

— предложенный метод расчета требуемых параметров (кратности, дисперсности) наносимой пены в зависимости от структурно-механических свойств конкретных текстильных материалов, полученный на основании закономерностей, выявленных при проведении теоретических и экспериментальных исследований — при разработке технических требований и проектировании перспективных аппаратов текстильного производства;

— разработанные технологические процессы обработки волокнистых материалов в пенной среде — при производстве разнообразной текстильной продукции в отрасли. Внедрение этих технологий позволяет в условиях отечественного текстильного производства обеспечить: а) при карбонизации шерстяных волокон — снижение потери прочности шерстяных волокон на 15 — 20%- б) при пеноэмульсировании шерстяных волокон в процессах приготовления гребенной шерстяной пряжи — снижение коэффициента вариации по линейной плотности по сравнению с традиционной технологией эмульсирования, в 5,5 раз, а обрывность — на 1000 вер./ч ровницы и пряжи на 23% и 32% соответственнов) при пенном шлихтовании нитей основы — сокращение расхода хим-хматериалов в 2 раза, снижение обрывности пряжи на ткацких станках в 2,5 раза, увеличение производительности ткацких станков на 15% и сокращение затрат на электроэнергию на 20%.

Полученный эффект подтвержден актами о внедрении на предприятиях: ООО «Димитровград-текстиль «, суконная фабрика им. В. И. Ленина,.

Мулловская суконная фабрика ЗАО «Матэко», ООО «Технология».

— разработанные и изготовленные опытные экземпляры барботажных насадочных пеногенераторов для технологических процессов карбонизации, пеноэмульсирования, пеношлихтования и нанесения пены на текстильные материалы — при производстве продукции на ООО «Ткач», опытном производстве ООО «Комплектация» и в учебном процессе при изучении дисциплин: «Химическая технология текстильных материалов» и «Химизация технологических процессов швейной промышленности»;

— технические решения устройств, для получения, нанесения, обработки и полихроматического крашения текстильных материалов в пене, которые признаны изобретениями — при разработке технических требований и проектировании перспективных аппаратов текстильного производства, а также при разработке производственных технологических процессов;

— разработана и изготовлена опытная установка, предназначенная для получения и нанесения пен в процессах шлихтования нитей основы, полихроматического крашения и заключительной отделки текстильных и трикотажных полотен, а также ковровых покрытий.

Новизна технологических и технических решений, разработанных в диссертационной работе, защищена 14 авторскими свидетельствами на изобретения.

Диссертационная работа включает в себя введение, восемь глав, заключение, список использованной литературы и приложения.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Выявлены закономерности, характеризующие процесс образования пены при использовании перемешивающих устройств. Установлена зависимость плотности пены от вязкости пенообразующей жидкости и условий перемешивания. Предложено критериальное уравнение, позволяющее рассчитать плотность пены, получаемой в процессе перемешивания. Установлено, что однородность получаемой при перемешивании пены, зависит от реологических свойств пенообразующей жидкости и режимов движения ее в перемешиваемом объеме. При этом показано, что для сокращения времени диспергирования необходимо уменьшать зазор между краевыми поверхностями вращающихся частей мешалки и неподвижными элементами аппарата. Предложено уравнение для расчета поверхностно-объемных свойств пен.

2. Исследованы процессы образования пены при барботаже газа в жидкость со свободной поверхностью и в жидкость, движущуюся в насадоч-ной колонне. Установлено, что скорость движения жидкости в насадоч-ной колонне необходимо устанавливать в зависимости от скорости подъема пузырьков газа, которую рассчитывают для конкретной пенообра-зующей жидкости, учитывая при этом размер пор газораспределительного устройства. Предложено математическое выражение для определения кратности пены, полученной при барботаже газа в жидкость и определены основные требования, обеспечивающие устойчивую работу насадоч-ных пеногенераторов. Предложена методика расчета сопротивления движению газа в барботажной зоне. Показано, что при перемещении по трубопроводу малоустойчивой пены средней кратности ее быстрое обезвоживание, помимо увеличения гидравлического сопротивления, приводит к его изменению как во времени, так и по отдельным участкам трубы. Это, в свою очередь делает работу пенеогенерирующих устройств неустойчивой и, как следствие, способствует пульсационному или «снарядному» образованию и движению пены.

3. Исследованы реологические свойства высокодисперсных низкократных пен. Установлено, что в исследуемых интервалах градиентов скоростей сдвига 0 = 1 + 1312 с" 1 пены представляют собой сильно структурированные системы, кривые течения которых имеют более или менее ярко выраженную структурную ветвь. При этом, увеличение вязкости пен, по сравнению с вязкостью пенообразующих жидкостей, зависит, в первую очередь, от их плотности и дисперсности. Кроме того, изменение вязкости пен, в широком диапазоне градиентов скоростей сдвига, пропорционально изменению структурной составляющей вязкости жидкости. Установлено, что природа загустителей и их концентрация при условии, что структурная составляющая вязкости раствора не препятствует пено-образованию, не являются определяющими факторами реологических свойств высокодисперсных пен. Предложено расчетное уравнение для определения вязкости высокодисперсных низкократных пен в диапазоне градиентов скорости сдвига 0 = 3+729 с" 1 в зависимости от плотности пены, вязкости пенообразующей жидкости и модуля упругости пены.

4. Показано, что основными факторами, оказывающими влияние на устойчивость пены к обезвоживанию, являются: кратность пены, ее дисперсность и вязкость дисперсионной среды. На основании теоретических и экспериментальных исследований предложено уравнение для расчета скорости истечения жидкости из пены. Установлено, что увеличение диаметра пузырьков воздуха в низкократных устойчивых пенах происходит не за счет диффузионного переноса газа из пузырьков меньшего диаметра в более крупные, а в результате утончения межфазных пленок, способствующее увеличению деформационной способности последней. Укрупнение пузырьков происходит в начальный период времени, после приготовления пены, и продолжается до полной стабилизации дисперсионной системы за счет образования сплошной пространственной структуры — геля.

5. Показано, что технологические пеногенераторы любых типов должны включать в свою конструкцию три обязательные системы или устройства: систему подачи, регулирования и распределения газасистему подачи, регулирования и распределения жидкостиустройство диспергирования газа в жидкости. Определены требования и выявлены основные закономерности, которые следует учитывать при разработке барботажных на-садочных пеногенераторов. Показано, что для устойчивой работы пеноге-нератора необходимо соблюдать следующие требования: обеспечивать барботажный гидродинамический режим движения газожидкостной смесиподдерживать насадку в пеногенераторе в затопленном состоянииобеспечивать равномерное распределение газа по всему сечению барбо-тажной зоны. Предложена методика расчета основных параметров барботажных насадочных пеногенераторов. Теоретически обоснованы подходы к разработке насадочных пеногенераторов с предварительным барбота-жем газа в пенообразующую жидкость. Показано, что для снижения вероятности образования воздушных пробок при диспергировании пены, насадку в насадочной колонне следует дифференцировать по слоям, уменьшая размеры частиц каждого слоя в направлении движения пены.

6. Разработан и изготовлен ряд опытных барботажных насадочных пено-генераторов, насадочных пеногенераторов с предварительным барбота-жем газа и пенонаносящих устройств (признанных изобретениями), отличающихся конструктивными решениями газораспределительных устройств, габаритными размерами и производительностью. Производственная проверка устройств данного типа в прядильном и красильно-отделочном производствах показала их высокие эксплуатационные качества.

7. Разработана и изготовлена опытная установка (стенд), предназначенная для нанесения пен в процессах шлихтования нитей основы, полихроматического крашения и заключительной отделки текстильных и трикотажных полотен, а также ковровых покрытий. Анализ проведенных стендовых испытаний позволил сделать вывод о том, что пеногенератор данного типа обеспечивает получение технологических пен с параметрами (дисперсность, кратность, устойчивость и т. д.), наиболее часто устанавливаемыми для процессов с использованием пенной технологии. Установка может быть рекомендована для дальнейшей конструкторской и технологической проработки с целью внедрения ее в производства текстильной промышленности.

8. Проведен анализ факторов, влияющих на капиллярные свойства текстильных материалов. Установлена зависимость между пористой структурой и капиллярными свойствами волокнистых материалов. Исследован механизм распределения жидкости, выделившейся из пены, в структуре текстильного материала. Экспериментально показано, что использование пены для нанесения обрабатывающей жидкости на текстильный материал требует тщательного учета и соотнесения структурно-механических свойств материала с кратностью и дисперсностью пены. Предложено уравнение для расчета кратности пены, наносимой на текстильный материал с известными структурно-механическими свойствами.

9. На основании анализа особенностей взаимодействия пен с текстильными материалами, определен перечень технологических процессов текстильного и отделочного производств, которые могут осуществляться с применением пен. Разработаны процессы текстильного и отделочного производств с использованием пены в качестве технологической среды.

10. Предложена пенная технология карбонизации шерстяных волокон. Показано, что при пенном нанесении количество жидкости, наносимой на волокна шерсти, значительно меньше, чем при плюсовочном способе и составляет в среднем 30%. Это оказывает положительное влияние, как на процесс карбонизации, так и на прочностные характеристики волокна. Установлено, что наносимая с помощью пены жидкость, накапливается, в основном, в капиллярных зонах, к которым можно отнести опутанные волокнами растительные примеси. Показано, что применяемая для карбонизации шерстяных волокон пена должна иметь кратность 7−12 при концентрации серной кислоты в пенообразующем растворе 8,5 — 13%.

11. Разработана технология пеноэмульсирования продуктов прядильного производства. Установлено, что пеноэмульсирование в процессах приготовления гребенной шерстяной пряжи обеспечивает улучшение всех основных показателей и, в первую очередь, неровноту пряжи по линейной плотности и обрывность при выработке ровницы и пряжи. Производственная проверка технологии эмульсирования шерстяной ленты в пенной среде подтвердила эффективность и целесообразность ее использования в приготовлении гребенной шерстяной пряжи. Так, коэффициент вариации по линейной плотности снизился, по сравнению с традиционной технологией эмульсирования, в 5.5 раз, а обрывность на 1000 вер./ч ровницы и пряжи соответственно на 21% и 31%. Предложено устройство для пеноэмульсирования ленты на ленточных переходах гребенного производства, признанное изобретением.

12. Обосновано применение пен для шлихтования нитей основы в ткацком производстве и разработан технологический процесс пеношлихтования. Показано, что применение пен для шлихтования ткацких основ имеет то преимущество, что позволяет наносить на поверхность нитей регулируемое количество пленкообразующего вещества. При поверхностном нанесении выполняются два основных требования шлихтования: закрепление выступающих кончиков волокон с созданием гладкой поверхностисохранение упруго-эластических свойств пряжи, за счет снижения проникновения клеящего раствора в ее толщу. Установлено, что при пенном шлихтовании прочность пряжи существенно возрастает, а ее эластические свойства улучшаются. В результате такой обработки обрывность пряжи снижается в 2,5 раза, а производительность ткацких станков увеличивается на 15%. Рассмотрена возможность применения пен в совмещенном процессе шлихтования и полихроматического крашения нитей основы. Предложена пенообразующая композиция и исследовано влияние ее компонентов на качество ошлихтованной пряжи и прочность получаемой окраски.

13. С целью возможного использования активных красителей для полихроматического крашения текстильных материалов, исследованы процессы нанесения вспененных красильных растворов на трикотажные полотна различного волокнистого состава и способы фиксации красителей в волокне. Показано, что для получения окрасок средней интенсивности при кратности пены 4−6, толщина слоя наносимой пены для полотен из гидрофильных волокон с высокой сорбционной способностью должна быть не более 3 мм, а для полотен из гидрофобных волокон не более 1,5 мм. Установлено, что при совместном использовании красителей основных цветов: активного ярко-красного 5СХ, активного ярко-голубого КХ и активного золотисто-желтого 2КХ, фиксацию целесообразно проводить в среде насыщенного пара.

14. Исследованы особенности применения высокодисперсных пен в печатании текстильных материалов Показана связь между эффективной вязкостью печатных красок на основе высокодисперсных пен и резкостью печати. Предложен механизм распределения печатной краски в межволоконных пространствах текстильного материала после нанесения краски на ткань. Установлены ограничения по применению высокодисперсных пен для печатания текстильных материалов: для печатания высокодисперсными пенами необходимо использовать устройства, исключающие контакт печатной краски с окружающей средойисключается возможность использования печатных машин с гравированными валами для пенной технологиине рекомендуется применять пены для печатания текстильных материалов с низкой удельной поверхностью и характеризующихся большим содержанием гидрофобных волокон. Предложена технология печатания текстильных материалов пигментами с применением в качестве печатных красок высокодисперсных пен.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате комплексного подхода к проведению и анализу диссертационных исследований, и полученных на их основе новых технических и технологический решений, разработаны и внедрены в производство практически значимые и аппаратурно оформленные пенные технологические процессы, обеспечивающие выпуск текстильных материалов с улучшенными потребительскими и эксплуатационными свойствами. Внедрение данных технологических процессов обеспечило снижение стоимости обрабатываемых материалов за счет уменьшения энергетических и материальных затрат при их производстве.