WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

«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 ...»

-- [ 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 диапазонов.— 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 (высокочастотного), СВЧ (сверхвысокочастотного) и ультрафиолетового (УФ) диапазонов для повышения эффективности технологических процессов текстильного и красильно-отделочного производств (фиксации крутки пряжи, сушки, отварки, беления, карбонизации, крашения и заключительной отделки текстильных материалов).

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

Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников 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 льносодержащих 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 технологических процессов, основанный на количественном росте параметров обработки (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 обработки, которые наряду с ускорением физико-химических процессов, обеспечивали бы сохранение и улучшение свойств текстильных материалов, способствовали бы снижению экологической вредности отделочного производства. С этих позиций заслуживают внимания способы интенсификации технологических процессов, которые базируются на применении нетрадиционных видов энергоносителей, и, в частности, электромагнитных 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 видимый свет составляют основу фотохимии и используется для осуществления процессов беления, крашения и отделки тканей [3]. Радиоволны высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона применяют для диэлектрического нагрева в разнообразных операциях тепловлажностной 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 систематизации. В связи с этим настоящая работа призвана восполнить имеющийся пробел и посвящена теории и практике использования диэлектрического нагрева и фотохимической активации для повышения эффективности обработки текстильных материалов. Соответственно, монография 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, включающий в себя ВЧ и СВЧ (микроволновый) способы нагрева, позволяет интенсифицировать тепло-массообменные и диффузионные процессы в условиях тепловлажностной обработки текстильных материалов. При этом, как правило, достигается улучшение физико-механических свойств волокнистых материалов вследствие благотворного воздействия электромагнитного излучения на структуру волокнообразующего полимера. Возможности диэлектрического нагрева как метода интенсификации достаточно широки, что делает его практически универсальным методом повышения эффективности технологических процессов, основанных на тепловой обработке влажных волокнистых материалов в текстильном и красильно-отделочном производствах.

Другим перспективным направлением, рассмотрению которого посвящена вторая глава, является использование УФ света для фотоактивации процессов беления, крашения и заключительной отделки тканей. На обширном экспериментальном материале продемонстрирован путь развития фотохимической технологии крашения тканей от лабораторных опытов до практического воплощения в производственных условиях текстильных предприятий. Логическим завершением проведенных научноисследовательских и опытно-конструкторских работ явилось создание принципиально нового УФ красильного оборудования. Эффективность и перспективность метода фотохимической активации подтверждается результатами промышленных испытаний УФ оборудования и проведенных технико-экономических расчетов.

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

1. Диэлектрический (ВЧ, СВЧ) нагрев 1.1 Физические основы диэлектрического способа По своим электрофизическим свойствам текстильные материалы относятся к диэлектрикам, поэтому уместно рассмотреть поведение диэлектрических материалов в электрическом поле. Если диэлектрик поместить в переменное электрическое поле, то в нем разовьются поляризационные процессы, обусловленные смещением под воздействием поля электрических зарядов и связанных с ним молекул и более крупных структурных единиц [5]. Различают два вида поляризации: упругая — при сильной связи между молекулами и релаксационная — при слабой связи. К упругой поляризации относят электронную, атомную и ионную. Такая поляризация 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 поляризации является дипольная поляризация, имеющая место в полярных диэлектриках при слабых связях между молекулами. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у таких молекул не совпадают и образуют диполь. Дипольная поляризация сопровождается принудительной переориентацией диполей по направлению вектора напряженности электрического поля. Полярные молекулы или более крупные структурные единицы вследствие дипольной поляризации приобретают вращательный момент. Под действием момента диполи, ориентируясь в направлении 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 необратимо рассеивается в диэлектрике в форме теплоты, называется диэлектрическими потерями. Для их характеристики используют тангенс угла диэлектрических потерь tg и диэлектрическую постоянную. Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует угол смещения по фазе тока в цепи конденсатора относительно напряжения. Диэлектрическая постоянная представляет собой величину, пропорциональную числу диполей, которые ориентируются в направлении вектора напряженности и определяется отношением емкости электрического конденсатора, заполненного материалом, к емкости того же конденсаторов в вакууме.

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

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

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 процессе высокочастотного нагрева зависит от частоты электрического поля, квадрата напряженности электрического поля и от диэлектрических свойств материала, характеризуемых величиной диэлектрической проницаемости 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 выраженный экстремальный характер. Величина и положение максиРис. 2. Зависимость диэлектриче- мума всегда индивидуально для конской проницаемости и тангенса угла кретного материала, а его наличие диэлектрических потерь от частоты дении частоты колебаний электрического поля с собственной частотой колебаний молекул или других структурных единиц вещества.

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

К конденсатору подводится напряжение от высокочастотного генератора.

Отметим, что для диэлектрического нагрева отечественной промышленностью 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, которые предназначены для промышленного ВЧ нагрева, работают на частоте 13,56 МГц.

Техническое устройство, которое создает ВЧ поле заданной конфигурации и в котором осуществляется собственно диэлектрический нагрев материала, называется аппликатором. Наиболее простым аппликатором является обычный плоский конденсатор. Электроды в виде конденсаторных пластин являются в большей степени подходящими для ВЧ обработки объемных текстильных материалов, например, рулонов, мотков, бобин и пр. Для непрерывной обработки плоских текстильных материалов применяют стержневые электроды с параллельным соединением одноименных 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 использоваться аппликаторы в виде колец [9]. В этом случае силовые линии концентрируются по центру вдоль линии симметрии, обеспечивая эффективный нагрев нитевидных материалов. Более подробно конструкция электродных систем будет рассмотрена в разделе 1.4.

Для обоснования режима диэлектрического нагрева необходимо определить параметры ведения процесса: скорость нагрева, желаемое изменение влагосодержания, начальную и конечную температуру материала.

Для этого необходимо знать диэлектрические характеристики материала и его компонентов, теплоемкость, структуру, форму и массу обрабатываемых материалов. Важным является правильный выбор рабочей частоты. Рабочая частота должна обеспечивать требуемую интенсивность нагрева, которая задается технологическим процессом, равномерное распределение напряжения по всей длине электродов конденсатора, возможность согласования параметров нагрузки с параметрами источника питания и работы при максимальном КПД установки. Для более глубокого ознакомления с вопросами теории ВЧ нагрева диэлектрических материалов, 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 традиционными способами нагрева материалов от внешних источников тепла, которые будут рассмотрены ниже.

Равномерность. Обычно передача тепла осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Отсюда неизбежен температурный градиент от периферии к центру материала. Уменьшить или почти устранить большой градиент температур можно только за счет увеличения времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного и длительного нагрева удается избежать перегрева поверхности слоев обрабатываемого материала. Примерами таких процессов является термообработка текстильных изделий с большим поперечным сечением и высокой плотностью (бобин, мотков волокна, рулонов ткани). Диэлектрический 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 термообработкой 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 многокомпонентной системе будут нагреваться только части, где высокий tg.

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

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

Отмеченные преимущества диэлектрического (ВЧ, СВЧ) способа нагрева материалов создают предпосылки для разработки прогрессивных высокоэффективных технологических процессов в текстильном и красильно-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 электрофизическим свойствам волокнистые материалы относятся к диэлектрикам, которые в зависимости от строения волокнообразующего полимера делятся на полярные и неполярные. У неполярных материалов, таких как полиэфирное (лавсановое) и полипропиленовое волокна основным видом поляризации является деформационная (электронная), протекающая без выделения теплоты. Такие материалы характеризуются низкими значениями диэлектрических потерь и слабо нагреваются в полях высокой и сверхвысокой частоты. Для полярных диэлектриков (полиамид, полиакрилонитрил) характерна релаксационная поляризация (дипольно-групповая и дипольно-сегментальная). При помещении такого материала в ВЧ поле его полярные элементы (сегменты, группы атомов) будут ориентироваться вдоль линий напряженности поля согласно полярности. Подобным материалам присущи большие значения диэлектрических потерь.

Отмеченное выше можно проиллюстрировать результатами работы [12] по исследованию диэлектрических свойств тканей из 0, натуральных и синтетических волокон в диапазоне 20—140 оС на частоте 15 МГц (рис. 3). Из гра- 0, фических данных видно, что диэлектрические свойства текстильных материалов в существенной 0, степени зависят от природы волокнообразующего полимера. Так, рильного и полиамидного волокон коэффициент диэлектрических Рис. 3. Зависимость коэффициента дипотерь на порядок выше по срав- электрических потерь тканей от темпенению с неполярным полиэфир- ратуры:

ным, триацетатным волокнами. 1— лавсан; 2 — триацетат; 3 — хлопок;

Показатель диэлектрических потерь хлопка имеет промежуточное значение по сравнению с указанными группами волокон. Сравнительно более высокий коэффициент диэлектрических потерь у хлопка объясняется более высоким уровнем кондиционной влажности хлопкового волокна по сравнению с полиэфирным и триацетатным волокнами. Различные диэлектрические 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 изображена 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 температуры.

Температура, оС Исследование диэлектрических свойств тканей с различным волокнистым 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 максимум на частотных зависимостях наблюдается на одной частоте, причем для хлопкового волокна он более выражен. Наличие максимумов обусловлено 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 влажности близко к нижней границе tg полярных диэлектриков (10-2) и лежит в пределах 0,02—0,05. Таким образом, волокнистые материалы в воздушно-сухом состоянии характеризуются низкими значениями диэлектрических потерь. Как следствие, малополярные волокна (лавДиэлектрическая постоянная вискоза, шерсть, шелк) в условиях диэлектрического Коэффициент потерь нагрева нагреваются слабо.

мым условием обеспечения Температура, оС эффективного диэлектрического нагрева неполярных текстильных материалов является присутствие в волокнистом материала какого-либо полярного вещества, которое бы нагревалось в электромагнитном 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, полученные при частоте 30 МГц, представлены на рис. 6 [14]. Примечательно, что с увеличением температуры от 0 до 100 оС коэффициент диэлектрических потерь воды возрастает примерно вдвое. Следовательно, с ростом температуры эффективность ВЧ нагрева повышается.

Так как в процессах отделки текстильные материалы, как правило, содержат в значительном количестве (80—100 %) воду, то систему "волокнообразующий полимер — вода" можно рассматривать как полярный диэлектрик, электрофизические характеристики которого близки к воде, а теплофизические — к материалу-носителю (т.е. ткани). Зависимость коэффициента диэлектрических потерь от влажности волокнистого материала проиллюстрирована в табл. 1 [15].

Табл. 1. Зависимость фактора диэлектрических потерь волокнистых Табличные данные свидетельствуют о том, что при 100 %-ном уровне влажности природа волокнообразующего полимера уже практически не влияет на диэлектрические свойства текстильных материалов, а коэффициент потерь возрастает по сравнению с обезвоженными тканями (0,4 %) примерно в 20—100 раз. В результате достигается многократное повышение интенсивности диэлектрического нагрева влажных текстильных материалов.

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

Влияние химических компонентов (текстильных вспомогательных 1.3 Влияние ВЧ нагрева на свойства текстильных Многочисленными исследованиями установлено, что воздействие диэлектрического нагрева на текстильный материал не приводит к изменению химических свойств волокнообразующих полимеров, а оказывает влияние только на надмолекулярную структуру материала. Степень воздействия электромагнитной энергии определяется в основном двумя факторами: диэлектрическими свойствами полимера и его влагосодержанием в условиях диэлектрического нагрева. Первый параметр, как было показано выше, определяет способность поглощать электромагнитную энергию самим полимером. Процесс взаимодействия полярного полимера с электромагнитной энергией обусловлен дипольной поляризацией и сопровождается повышением сегментальной подвижности макромолекул, следствием чего может быть разрыв межмолекулярных связей, восстановление их на более выгодном энергетическом уровне и, как следствие, релаксация внутренних напряжений волокна.

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

Отмеченные особенности поведения природных и синтетических волокнообразующих полимеров в ВЧ поле удобно проиллюстрировать на примере шерстяного и полиамидного волокон (характеризующихся сходным 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 крутильных машинах нить при скручивании находится всегда в свободном состоянии. При этом волокна, принимая винтообразную форму, растягиваются и удлиняются. Такой процесс сопровождается возникновением внутренних напряжений (упругих сил) в волокне. При пребывании пряжи в свободном состоянии происходит нарушение равновесия между моментом 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 самопроизвольному 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 осуществлять путем диэлектрического нагрева. Следует отметить, что шерстяная пряжа при нормальных условиях является идеальным объектом для диэлектрического нагрева, поскольку кондиционная влажность шерсти составляет 15—16 % [19], что вполне достаточно для эффективного нагрева волокна в ВЧ поле. При помещении шерстяной пряжи в ВЧ поле содержащаяся в волокне вода быстро нагревается до 100 оС, причем нагрев волокна будет практически равномерным по всему объему. В результате интенсивного парообразования внутри паковки пряжи создается избыточное давление и возникает диффузионный перенос пара из центра к периферии, что обеспечивает эффективное запаривание пряжи. В результате создаются условия для релаксации внутренних напряжений в волокнистом материале, что обеспечивает улучшение физико-механических свойств пряжи (табл. 2).

Табл. 2. Влияние ВЧ нагрева на изменение прочностных показателей Артикул пряжи Способ обработки Сопоставление табличных данных свидетельствует о том, что ВЧ обработка улучшает эластические свойства камвольной пряжи по сравнению с вакуумным запариванием. Стоит подчеркнуть, что неравновесность пряжи за время 2—7 мин фиксации в ВЧ поле снижается до того же уровня, что и за время 20—45 мин термообработки.

Другим показателем, на основании которого можно судить о влиянии на свойства волокна, является выносливость, характеризующая сопротивление пряжи многократному растяжению. Полученные в работе [18] данные 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]. Пряжа 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 тонкосуконной фабрики. Как видно из табл. 3, ВЧ обработка обеспечивает снижение показателя неравновесности пряжи (число витков в ”сукрутине”) примерно вдвое по сравнению с необработанной пряжей, при этом волокно упрочняется на 25 % и повышается его эластичность.

Табл. 3. Физико-механические свойства шерстяной пряжи Нельзя не отметить, что аналогичный положительный эффект ВЧ нагрева 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 обработки Вариант Исходное волокно В полярных термопластичных волокнообразующих полимерах, которыми являются большинство синтетических текстильных волокон, под воздействием ВЧ поля происходят процессы релаксационной поляризации макромолекул, сопровождаемые повышением кинетической энергии подвижных участков макромолекулярной цепи. В случае, если полученная энергия электрического поля превышает энергию межмолекулярных связей, возможен их обрыв, и, как следствие, релаксация внутренних напряжений в волокне. Так, для полиамидного волокна процесс релаксации внутренних напряжений под влиянием ТВЧ связан с подвижностью кинетически независимых участков макромолекул (амидных групп) и обусловлен обрывом с последующим восстановлением водородных связей в положении, характеризующемся более низкой потенциальной энергией.

Влияние ВЧ обработки (частота — 17 МГц, мощность — 2 КВт) на физико-механические и эластические свойства полиамидного волокна продемонстрировано 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 исходным волокном в 1,5—2 раза. Наблюдается также улучшение прочностных и эластических свойств обработанного волокна. Отмеченные свойства напрямую связаны со степенью кристалличности волокна, которая, как видно из таблицы, имеет экстремальную зависимость от времени ВЧ обработки.

Дополнить представленные выше данные можно результатами исследования [24] воздействия электрического поля с частотой 40,68 МГц на надмолекулярную структуру полиамидных волокон, которое приводит к повышению степени ориентации кристаллитов. Поперечные размеры кристаллитов 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 коррелирует с изменением их механических свойств. Так, уменьшение коэффициента ориентации кристаллитов и увеличение общей молекулярной ориентации 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 констатировать, что воздействие ВЧ энергии на волокнистые материалы проявляется только на надмолекулярном уровне (изменение общей молекулярной ориентации кристаллитов, степени кристалличности, капиллярнопористой структуры), причем это не приводит к ухудшению физикомеханических и качественных характеристик самих материалов. Напротив, в процессе диэлектрического нагрева происходит перестраивание структуры волокон, в результате чего по сравниваемым показателям обработанные 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 технологии таковы, что наиболее массовое применение диэлектрический способ нагрева получил для осуществления процессов сушки текстильных материалов. 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 физические, так и химические процессы. Отметим, что в настоящей главе вопросы теории ВЧ сушки не рассматриваются. Заинтересованных читателей можно адресовать к работам [26, 27]. Здесь же будет сделан упор на рассмотрение технико-экономических аспектов ВЧ сушки и специализированного сушильного оборудования [28].

ВЧ сушка текстильных материалов основана на диэлектрическом нагреве воды, содержащейся в высушиваемом изделии. Важными особенностями диэлектрического нагрева по сравнению с нагревом от внешних источников тепла является то, что в процессе ВЧ сушки происходит равномерный подъем температуры обрабатываемого материала и одновременность начала испарения влаги по всему его объему. В условиях теплои массообмена с окружающей средой температура и давление пара внутри тела оказывается выше, нежели в поверхностных слоях. В результате градиенты температуры и давления направлены из центра материала к периферии, что способствует переносу влаги в процессе сушки из глубинных слоев к поверхности высушиваемого материала. Специфические особенности диэлектрического нагрева обуславливают ряд важных преимуществ ВЧ способа сушки. Так, ВЧ нагрев высушиваемых материалов происходит быстрее по сравнению с нагревом от внешних источников тепла и равномерно по всей толщине изделия, в результате чего возрастает скорость сушки. Практически исключается опасность перегрева обрабатываемого материала в поле ТВЧ, т.к. при атмосферном давлении температура 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 приостанавливается 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 уменьшение габаритов сушильных установок. К числу достоинств относится гибкость в перестройке режима сушки при смене технологических операций, переходах с одного вида материала на другой. Важным моментом является то, что ВЧ сушка оказывает благоприятное воздействие на качество 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 куличах; текстильные материалы (ткани, трикотажные полотна, нетканые материалы) 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 генератора ВЧГЗ-60/13 [30]. На основании исследований рассчитали производительность ВЧ сушки, учитывая что колебательная мощность серийно выпускаемых генераторов составляет 10, 25 и 60 КВт.

Табл. 5. Производительность ВЧ сушки хлопчатобумажных нитей по Высокочастотный Конвективный Для сравнения в таблице приведены данные по конвективной сушке хлопчатобумажных нитей на сушильной установке Ивановской трикотажной фабрики, взятой в качестве прототипа. Итак, применение ВЧ нагрева 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 сушильное оборудование. Оно состоит из следующих основных частей: высокочастотного генератора, сушильной камеры с электродной системой, системы подогрева и циркуляции воздуха, системы рекуперации тепла, транспортирующего устройства и пульта управления. Следует отметить, что за рубежом для целей сушки используются ВЧ генераторы преимущественно с рабочей частотой 27,12 МГц [31], отечественной промышленностью — с частотой 13,56 МГц.

В качестве примера на рис. представлен общий вид ВЧ сушильной машины с ленточным транспортером. Основным элементом сушильной камеры является система электродов, образующих рабочее пространство (зону нагрева), в котором и осуРис. 8. Высокочастотная сушилка фирществляется процесс сушки текмы "Sholl":

стильного материала.

(рис. 9) несколько видов электродных систем [32, 33]. Для сушки объемных текстильных материалов (паковки, бобины), обычно применяют плоские конденсаторные пластины (1), создающие вертикальное электрическое поле. Стержневые электроды (2—4) [34, 35] используются для сушки плоских материалов (волокно, полотно ткани, ковровые, штучные изделия и пр.), так как позволяют достигать больших значений напряженности электрического поля в плоскости. Реже в качестве электродов используются элементы конструкций сушильных камер — транспортирующие устройв ВЧ сушильных машинах.

ства (например, металлические 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 электромагнитных излучений с целью предотвращения радиопомех и обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Системы обогрева и циркуляции воздуха, устройства рекуперации тепла в ВЧ сушильных машинах традиционны для многих видов стандартного сушильного оборудования..

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 сушильную камеру с транспортирующим устройством непрерывного действия. Рабочий конденсатор выполнен в виде вертикальных пластин — электродов, между которыми помещены паковки волокна, совершающие поступательное и вращательное движение. Такая схема обеспечивает высокую интенсивность и равномерность сушки. Машина снабжена устройствами для автоматической загрузки и съема куличей. Производительность установки — 3,5 т сухого шелка в сутки.

Во ВНИИТВЧ им. В.В. Вологдина разработана ВЧ сушильная установка ВЧД 17—60/13, предназначенная для сушки текстильных материалов [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, ровничной ленты, нитей, пряжи в мотках, бобинах, шпулях, штучных швейных, трикотажных изделий и т.д.

За рубежом на выпуске ВЧ сушильного оборудования специализируется ряд машиностроительных фирм. Наибольшей известностью пользуются фирмы "Strayfield International" (Англия), "Stalam" (Италия), "Krantz", "Siemens" (Германия) и др. Ниже приведем краткий обзор выпускаемого 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 текстильного 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 полиамидного волокна с хлопком — 320 кг/час, из смеси полиэфирного волокна с хлопком — 500 кг/час. Расход электроэнергии находится в пределах 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 секций и образующих общий тоннель. Сушильная машина оснащена контролируемыми 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 способ 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 каждой секции ВЧ машины теплообменники, через которые проходит отработанный и свежий воздух. В этом случае при работе машины в режиме сушки достигается 10 % экономия энергии, при работе в режиме термообработки — экономия энергии составляет 25 %. Этой же фирмой разработана установка для аппретирования и сушки пряжи в бобинах. Установка состоит из двух центрифуг, транспортера и ВЧ сушильной машины.

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

Рис. 10. Энергетический баланс ВЧ сушильной машины:

1— отработанный воздух; 2— рекуперация тепла воды, охлаждающей отработанный воздух; 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 сушильного 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. Остальные 17 % расходуются калориферами и вентиляторами. КПД процесса ВЧ сушки повышают за счет тепла воды, предназначенной для охлаждения генератора, и отработанного нагретого воздуха, направляемого в сушильную камеру.

Сравнительный анализ работы ВЧ и обычного сушильного оборудования проведен одной из французских текстильных фирм, эксплуатирующей ВЧ сушильную машину фирмы "Strayfield International" [49]. Результаты представлены в табл. 6.

Табл. 6. Сопоставление удельных энергетических затрат ВЧ и хлопок — полиэфир Экономия энергоносителей при использовании ВЧ сушки по сравнению с конвективной и сушкой под давлением продемонстрирована на примере сушки шпуль в табл. 7 [50].

Табл. 7. Сравнение различных способов сушки волокна Конвективная сушка Расход электроэнергии, КВт/кг Сушка под давлением Расход электроэнергии, КВт/кг гии, КВт/кг Примечание. Приведенная производительность — 250 кг материала в час.

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

По данным фирмы "Strayfield International" сроки окупаемости ВЧ сушильных 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 сушильных машин прочно занял определенную нишу в спектре сушильного оборудования, а ВЧ способ сушки успешно конкурирует с традиционными в целом ряде технологических процессов текстильного производства.

1.5 ВЧ нагрев как фактор обработки текстильных материалов в красильно-отделочном производ- Шерсть Хлопок Лавсан стве, включающего операции подготовки, колорирования и заключиРис. 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, текстильных 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 воздействий на текстильные материалы, применяемых для придания им комплекса технологических и потребительских свойств (смачиваемость, белизна, 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 текстильных материалов. Для ее решения весьма привлекательным является применение диэлектрического способа нагрева, поскольку, как отмечалось выше, все операции подготовки хлопчатобумажных тканей (расшлихтовка, отварка, беление) основываются на тепловлажностной обработке волокнистых материалов. Важным моментом здесь является то, что в операциях подготовки текстильные материалы пропитываются составами, содержащими электролиты. По этой причине при разработке способов подготовки тканей с использованием диэлектрического нагрева возникает задача изучения влияния электролитов на процесс ВЧ нагрева материала, так как электролит, присутствующий в волокне, существенно изменяет его диэлектрические свойства и, как следствие, влияет на эффективность диэлектрического нагрева.

Электропроводность Рис. 12. Зависимость удельной электропроводности электролитов от концентрации и температуры:

— 20 оС; — 80 оС;

1 — гидроксид натрия; 2 — силикат натрия; 3 — пероксид водорода; 4 — мочевина Автором изучена взаимосвязь между электропроводностью электролитов, 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). Установлено, что значение удельной электропроводности исследуемых электролитов убывает в ряду гидроксид натрия, силикат натрия, пероксид водорода, карбамид и согласуется с величинами констант диссоциации данных Коэффициент потерь Рис. 13. Зависимость коэффициента На рис. 13 показано влияние концендиэлектрических потерь хлопчатобу- трации растворов электролитов на значемажной ткани от вида и концентрации носительной влажностью 100 % при часгидроксид натрия; 2 — силикат натоте 27,12 МГц и температуре 20 оС. Сотрия; 3 — пероксид водорода;

Рис. 14. Кинетика ВЧ нагрева хлопчатобумажной ткани при концентрации электролитов 1 г/л (а) и 10 г/л (б):

аномальный характер концентрационной зависимости величины К, полученной для мочевины. Зарегистрированное уменьшение коэффициента диэлектрических потерь, вероятно, можно объяснить специфическим влиянием мочевины на структуру воды [54], выражающегося в образовании сольватных комплексов карбамид — вода и упрочнении структуры воды за счет образования сетки водородных связей, что подавляет колебательное движение молекул воды и снижает эффективность их взаимодействия с ВЧ полем.

Изучили влияние электролитов на кинетику ВЧ нагрева хлопчатобумажной 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 согласуется 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 сокращается с 30—35 с до 7 с. Установленный факт объясняется тем, что гидроксид натрия, будучи сильным электролитом, обуславливает увеличение полярности системы, что приводит к повышению диэлектрических потерь и эффективности ВЧ нагрева.

Вместе с тем, увеличение концентрации гидроксида с 1 до 10 г/л является причиной усиления ионной проводимости и, как следствие, возрастания 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 исследования по изучению возможности применения ВЧ нагрева для интенсификации процессов расшлихтовки, отварки и беления хлопчатобумажных тканей. Эффективность удаления с ткани сопутствующих естественных примесей и загрязнения, обусловленных предшествующими технологическими стадиями, во многом определяется операцией расшлихтовки. Как известно, наиболее распространенным шлихтующим агентом, применяемым на отечественных текстильных предприятиях, является крахмал. Одним из наиболее эффективных и современных способов удаления с тканей крахмальной шлихты является применение ферментных катализаторов Табл. 8. Влияние метода активации процесса ферментной расшлихтовки Метод активации обработ- Расшлих- Капилляр- Потеря прочки товка, % ность, мм/час ности, % Пропитка ферментом Запаривание при 100 оС ВЧ нагрев периодический ВЧ нагрев 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 непрерывного — 70 В, расстояние между электродами — 1 см.

амилолитического действия, обеспечивающих гидролиз крахмала и удаление 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 запаривании. При этом показатель капиллярности ткани возрастает на 32—35 мм.

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

Провели оценку влияния воздействия ВЧ поля на лигнинолитические свойства фермента, так как разрушение окраОптическая плотность (D) шенных примесей хлопка составляют особую трудность. На рис. 15 представлены спектрофотометрические кривые растворов навески хлопчатобумаж- 0, вании которых можно провести 0, сравнительную оценку эффекДлина волны, нм тивности разрушения окрашенных 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 диэлектрического нагрева оптическая плотность диоксановых растворов в области 300 нм, характерной для лигнина, имеют меньшее значение по сравнению с обычным запариванием, что говорит о повышении лигнинолитической активности фермента под воздействием ВЧ поля. Можно также отметить, что кратковременная ВЧ обработка по эффективности разрушения лигнина адекватна 5-ти минутному запариванию.

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

Табл. 9. Влияние метода активации процесса ферментной расшлихтовки 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 ускоренного двухстадийного способа расшлихтовки и беления хлопчатобумажных (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 активации физико-химических процессов за счет энергии ВЧ поля. Способ состоял в том, что технологический состав содержал одновременно реагенты, предназначенные для ферментативной расшлихтовки (амилосубтилин), 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 использоваться как для процесса расшлихтовки, так и для беления. Однако оптимальные условия для осуществления этих процессов различные. С другой стороны, 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 совмещенного процесса расшлихтовки, отварки и беления использовали метод математического моделирования, основанный на множественном регрессионном анализе, и специальные программные средства 1, реализуемые с помощью персонального компьютера. Следует отметить, что в отличие от традиционных методов построения регрессионных моделей [57], предусматривающих проведение строго спланированных экспериментов, в данном случае (а также в ряде цитируемых далее работ) авторами использовался метод вариации факторов на произвольных уровнях. Планирование эксперимента со случайным сочетанием параметров по своей идейной основе подобно методу аппроксимации в многомерных областях с хаотически расположенными интерполяционными узлами [58].

Получили ряд уравнений регрессии, в которых функциями являлись качественные показатели обработанной ткани, а переменными факторами — концентрация химических реагентов. В качестве иллюстрации на Для целей моделирования использовались программные средства, разработанные д.х.н. Телегиным Ф.Ю. (ИГХТУ) рис. 16 в трехмерных координатах приведены модельные зависимости степени расшлихтовки, капиллярности и белизны хлопчатобумажной ткани (парусина "ЭТ") от концентрации пероксида водорода и гидроксида натрия. Из графиков видно, что концентрация пероксида не является критической 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. Максимальные 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 максимальное значение достигается при концентрации едкого натра 3 г/л. Установлено также, что повышение концентрации силиката натрия обеспечивает увеличение степени белизны, однако приводит к снижению капиллярности 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 силиката натрия (до 5 г/л). На основании этого можно утверждать, что полученные 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 удалении 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 нагрева путем повышения температуры обработки затруднительно из-за опасности повреждения волокна.

В Ивановском НИЭКМИ изучена возможность применения диэлектрического нагрева для интенсификации процесса карбонизации шерстяного 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 карбонизации в условиях ВЧ нагрева является определение диэлектрических свойств шерстяного волокна. Выше было показано, что эти свойства материалов в значительной степени зависят от влагосодержания. В связи с этим исследовали влияние на относительную электрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь шерстяного волокна относительной влажности, а также плотности его укладки. Полученные результаты приведены в табл. 10, на основании которых можно констатировать, 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 свойства: 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 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 использованием метода множественного регрессионного анализа получили математическую 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 расчетов с ее помощью можно прогнозировать значение фактора диэлектрических потерь, задаваясь конкретными значениями влажности и плотности укладки шерстяного волокна.

Рис. 17. Зависимость коэффициента диэлектрических потерь от влажности и плотности потерь возрастает по сравнеукладки волокна. нию с нулевой концентрацией (техническая вода) в 2,4 раза. Это положительно сказывается на интенсивности ВЧ нагрева волокна.

Табл. 11. Влияние концентрации серной кислоты на диэлектрические Концентрация Тангенс угла Диэлектрическая Коэффициент диэлекH2SO4, г/л потерь постоянная трических потерь Отметим, что рассмотренные выше факторы (влагосодержание, плотность укладки, концентрация H2SO4) оказывают влияние на ВЧ нагрев посредством изменения диэлектрических свойств нагреваемого материала. 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 волокнистого материала до кондиционной влажности, а вторая — собственно процесс "выжига" целлюлозосодержащих примесей, который нии влажности с 15—16 % до 1,5—2 %.

При более высокой влажности ными являются напряженность поля 400—500 В/см, при которой Относительная влажность, % волокно высушивается до 15 % влажности за 2 с обработки. В то же время наблюдается заметное замедление процесса сушки волокна на заключительной стадии. Одной из причин этого является снижение эффективности ВЧ нагрева в результате уменьшения фактора диэлектрических потерь высушиваемого волокнистого материала.

Повысить интенсивность ВЧ нагрева на стадии "выжига" растительных примесей возможно двумя способами. Первый способ можно охарактеризовать как энергетический, т.к. он предусматривает повышение напряженности 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 продемонстрировано 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 положительно 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 возросла 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 шерстяное волокно неизбежно получает некоторое повреждение. Определенные свойства шерсти, изменяющиеся в процессе обработки, могут служить критерием степени повреждения волокна (табл. 12).

Табл. 12. Качественные показатели шерстяного волокна Обработанное в Обработанное на Влияние ВЧ нагрева в процессе карбонизации оценивалось в сравнении с волокном, прошедшим карбонизацию в условиях фабричного производства. Сопоставление табличных данных свидетельствует о том, что степень повреждения волокна в условиях ВЧ нагрева не превышает уровня фабричной технологии карбонизации.

1.5.3 Крашение текстильных материалов Главный вклад в формирование потребительских свойств готовых текстильных материалов вносит стадия колорирования (включающая крашение и печатание материалов), что определяет ее исключительную важность среди других процессов отделки тканей. Это нашло отражение в максимальном исследовательском интересе к проблеме применения диэлектрического нагрева для интенсификации процессов фиксации красителей волокнистым материалом.

Согласно представленной в обзоре [60] классификации существующие способы крашения, основанные на диэлектрическом нагреве, можно разделить на три основные группы. К первой группе относятся способы крашения путем диэлектрического нагрева влажного материала, пропитанного технологическим составом. Вторую группу составляют способы, предусматривающие комбинированное воздействие на материал электромагнитной энергии и теплоносителя (горячего воздуха или водяного пара). И третья группа включает способы обработки материалов электромагнитным излучением при избыточном давлении.

Рассматривая способы, составляющие первую группу, можно отметить, что фиксация красителей волокнистыми материалами осуществляется в процессе нагрева материала за счет присутствия в волокне полярного соединения, которое поглощает электромагнитную энергию и тем самым обеспечивает разогрев материала до температуры кипения полярного 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 текстильных материалов активными красителями [61], согласно которому отбеленную 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 прочностью к свету и мокрым обработкам.

Предложен ряд способов фиксации красителей на тканях из гидрофобных синтетических волокон. Отличительным признаком данной группы способов является то, что в качестве полярного компонента используются 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 диэлектрических потерь, температуру кипения от 120 оС и не превышающую температуру плавления полиэфира или других волокон [62]. Конкретно, в качестве таких растворителей рекомендуют применять глицерин, этилен- и пропиленгликоль, диметил- и диэтилсульфоксид, диметили диэтилформамид, бензиловый спирт, нитробензол и др.

Многочисленные исследования, проведенные как у нас, так и за рубежом, показали, что высокочастотный нагрев может быть с успехом использован в крашении текстильных материалов для интенсификации процесса фиксации красителей волокном как в непрерывных, так и в периодических способах обработки [63].

В условиях периодического способа крашения синтетических волокон [64, 65] переменное электромагнитное поле при наложении на красильный раствор и окрашиваемое волокно оказывает активирующее действие на процесс фиксации дисперсных красителей. Выявлено, что переменное электрическое поле при воздействии его на красильный раствор оказывает 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 более чем в 20 раз, что приводит к увеличению растворимости до значений, вполне приемлемых для ведения процесса крашения при температуре ниже 100 оС [66]. Установлено, что при наличии электрического поля сорбция 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 выделением 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 воздействии ВЧ поля можно получать проникающее окрашивание синтетических волокон без добавления специальных ТВВ и повышения температуры и давления, применяемых в традиционных способах для ускорения периодического крашения. В качестве примера приведем результаты исследования [68] по интенсификации крашения синтетических волокон энергией ВЧ поля (табл. 13).

Табл. 13. Крашение синтетических волокон по периодическому Примечание. Параметры ВЧ обработки — мощность 2 КВт, частота 17 МГц;

параметры крашения — модуль ванны 1:100, концентрация красителя 3 %, температура 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 волокон и красителей. Так, максимальное активирующее действие ВЧ энергии наблюдается в случае крашения полиакрилонитрильного волокна основными красителями – накрашиваемость возрастает на 47—66 %. В этих же условиях увеличение выхода дисперсных красителей на полипропиленовом волокне составляет порядка 20 % Это, принимая во внимание тот факт, что полипропиленовое волокно является наиболее трудно окрашиваемым из всех существующих видов волокон, является, безусловно, положительным результатом.

В арсенале существующих способов колорирования тканей можно выделить ряд способов, для которых наиболее оправдано применение ВЧ нагрева для ускорения фиксации красителей. Рассмотрим так называемый плюсовочно-накатный способ крашения, когда полотно ткани, пропитанное раствором красителя, накатывается в ролик и в таком виде выдерживается несколько часов при комнатной температуре. По этой причине данный способ называют еще "холодным". В крашении шерсти он несмотря на большую продолжительность процесса фиксации красителей привлекателен для технологов высокой равномерностью окраски, минимальным повреждением шерстяного волокна и исключением повторного чесания гребенной ленты, которое обычно необходимо после традиционных способов крашения [69]. Поэтому исследователями предпринимались попытки сокращения времени вылеживания волокна, при этом испытывались разнообразные варианты нагрева шерстяного волокна с целью его интенсификации (конвективный, нагрев под избыточным давлением, ИК нагрев). Однако, все они из-за неравномерности нагрева оценивались неудовлетворительно. Решить проблему удалось только при использовании ВЧ нагрева. Равномерное повышение температуры по всему объему волокна 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 красителей на шерстяном волокне с 65,1—69,6 до 92,3—98,2 %.

ВЧ энергия с не меньшим успехом получила применение и для интенсификации плюсовочно-накатного способа при крашении хлопчатобумажной ткани активными красителями [70]. Сравнительные данные по крашению хлопка "холодным" способом, а также "горячим" с использованием ВЧ нагрева приведены ниже в табл. 14. Условия "горячего" способа 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.

Табл. 14. Интенсивность окраски хлопчатобумажной ткани, окрашенной активными красителями по плюсовочно-накатному способу Активный Интенсивность окраски Sumifix Supra Примечание. Параметры ВЧ нагрева — частота 100 МГц, мощность — 5 КВт.

Из представленных данных следует, что многократное сокращение продолжительности обработки не сказывается отрицательно на качественных показателях окраски. Так, интенсивность окраски ткани и ее устойчивость к воздействию стирки при использовании ВЧ нагрева находятся на уровне или превышают показатели, соответствующие крашению без активации ВЧ полем.

Для того, чтобы читателю была понятна логика последующего изложения материалов настоящей главы, следует отметить, что акцент в дальнейшем будет сделан на освещение результатов исследований, касающихся применения диэлектрического нагрева для интенсификации процессов фиксации активных красителей хлопком и дисперсных красителей полиэфирным (лавсановым) волокном. Основанием для этого является то, что именно к указанным направлениям привлечено наибольшее внимание исследователей [63].

Следует вновь отметить важную роль электролитов, которые играют в процессе ВЧ нагрева текстильных материалов, в частности, на стадии фиксации красителей. Используя данные исследования [71], продемонстрируем влияние на эффективность ВЧ нагрева различных электролитов и самих красителей, содержащихся в водном красильном растворе (табл. 15).

Из данных таблицы следует, что влияние электролитов настолько существенно, что переход от дистиллированной к технической воде приводит к возрастанию скорости ВЧ нагрева ткани в 4 раза, а введение хлорида или гидроксида натрия в количестве 0,25 г/л обуславливает рост скорости нагрева по сравнению с дистиллятом уже более чем в 40 раз.

Измерение интенсивности поглощения ВЧ энергии показало, что ее значение для водно-солевого раствора, содержащего 12,5 г/л хлорида натрия, в 800 раз больше, чем для дистиллированной воды. Таким образом, одним из факторов повышения эффективности процессов ВЧ фиксации красителей является введение в красильный состав электролита.

Сделанный вывод согласуется с результатами исследований, выполненных в ИГХТУ [72].

Табл. 15. Влияние электролитов на скорость ВЧ нагрева Не маловажным является тот факт, что, как видно из таблицы, наличие красителей в растворе дает увеличение проводимости по сравнению с технической водой в 10-90 раз, и, как следствие, возрастание скорости ВЧ нагрева более чем в 10 раз. При изучении скорости сушки было установлено, что хлопчатобумажная ткань со средней поверхностной плотностью, пропитанная раствором с обычным для крашения активными красителями составом, высыхает при использовании ВЧ нагрева в течение 6 с, в то время как при использовании конвективной сушильной машины при температуре 120 оС необходимо 40—60 с.

Подробное исследование применения ВЧ нагрева для фиксации активных красителей на хлопчатобумажной ткани по непрерывному способу предпринято в работе [73]. ВЧ обработку проводили на установке фирмы "Strayfield International" с мощностью генератора 10,4 КВт с частотой 27,12 МГц. Параллельно для сравнения проводили крашение на оборудовании фирмы "Benz" с воздушной сушильной машиной.

Изучена фиксация активного красителя с помощью ВЧ нагревания длительностью от 4 до 72 с. Поглощение энергии материалом при этом составляло 0,6—4,2 КВт. Параллельно проведена фиксация в сушильной машине "Benz" при температуре 120 оС в течение 20—120 с. Исследования показали, что интенсивность окраски была одинаковой или выше в случае использования ВЧ нагрева. Он позволяет получить самую высокую степень фиксации даже за очень короткий промежуток времени (4 с) обработки, хотя ткань еще не высушена до кондиционной влажности. При фиксации на сушильной машине максимальная интенсивность окраски получается только на полностью высушенной ткани, что достигается в В Ивановском НИЭКМИ проведены поисковые изыскания по созданию ВЧ способа фиксации активных и дисперсных красителей на тканях из хлопка и лавсанового волокна [74]. Исследования проводились с использованием полупромышленной ВЧ установки непрерывного действия, оснащенной генератором мощностью 12 КВт и с частотой 27,12 МГц [75].

Рис. 21. Зависимость интенсивности окраски На рис. 21 в графическом виде ткани от концентрации гидроксида натрия и видно, с ростом концентрации мочевины интенсивность окраски ткани заметно возрастает. В этой связи можно отметить следующее. Как известно, механизм действия мочевины в процессах запарной и термической фиксации активных красителей различен. Так, в запарных способах крашения с ростом концентрации мочевины степень фиксации красителей снижается, в термических же способах — увеличивается [76]. Исходя из этого можно заключить, что условия ВЧ нагрева ткани в данном случае ближе к термической технологии фиксации активных красителей, чем к запарной. Обращает на себя внимание также тот факт, что с ростом концентрации мочевины влияние щелочного агента на выход красителя заметно увеличивается. Другими словами, можно сделать вывод о взаимном усиливающем влиянии мочевины и щелочного агента на фиксацию активного красителя хлопком. Технические результаты фиксации активных красителей по ВЧ технологии, а также при использовании запарной обработки представлены в табл. 16.

Табл. 16. Результаты фиксации активных и дисперсных красителей на Хлопчатобумажная ВЧ нагрев влажной саржа Активный ярко- Запаривание сухой красный 6С Лавсановая подкла- ВЧ нагрев влажной дочная Дисперсный ярко- Термообработка розовый Хлопколавсановая ВЧ нагрев влажной сорочечная Дисперсный Из таблицы следует, что ВЧ способ обеспечивает не только сокращение длительности фиксирующей обработки с 2—5 мин до 8 с, но и совмещение в одну стадию операций сушки ткани и фиксации красителей.

При этом достигается более высокая интенсивность окраски хлопчатобумажной ткани. Можно также отметить, что представленные результаты ВЧ фиксации активных красителей согласуются с данными [77], полученными в ИГХТУ.

Многократное ускорение процесса фиксации активных красителей в условиях диэлектрического нагрева можно объяснить, с одной стороны, увеличением скорости диффузии красителя в волокнообразующий полимер [78, 79]. С другой стороны, нельзя полностью исключить повышения реакционной способности активных красителей под воздействием электромагнитной энергии вследствие дипольной поляризации молекул красителя.

На примере крашения хлопколавсановой ткани (табл. 16) перейдем к рассмотрению возможности применения ВЧ нагрева для фиксации дисперсных красителей полиэфирным волокном, которое, в отличие от хлопка требует более жестких условий фиксирующей обработки. Из данных таблицы следует, что ВЧ нагрев является достаточно эффективным для ускорения процесса фиксации дисперсного красителя. Так, ВЧ способ по сравнению с нагревом горячим воздухом обеспечивает сокращение продолжительности фиксации дисперсных красителей на лавсановой ткани более чем в 10 раз и заметное повышение интенсивности окраски. И это при том, что ВЧ обработке подвергалась влажная ткань без промежуточной сушки.

Полезная информация для обоснования механизма интенсифицирующего действия ВЧ нагрева на процесс фиксации дисперсных красителей полиэфирным волокном содержится в работе [80]. Опытные данные, на основании которых можно оценить влияние условий ВЧ нагрева на результаты фиксации дисперсного красителя Terasil Red X-3G полиэфирным волокном, приведены в табл. 17.

Табл. 17. Крашение полиэфирного волокна дисперсными красителями в мокроотжатое, мокроотжатое, Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что ВЧ фиксация дисперсных красителей полиэфирным волокном малоэффективна без использования полярных органических соединений типа мочевины. При этом, лучшие результаты достигаются при ВЧ нагреве влажного волокна в "массе" в виде клубка.

На основании дифференцированной оценки влияния различных факторов на процесс фиксации полиэфирным волокном дисперсных красителей в ВЧ поле установлено [81], что весомый вклад в ускорение фиксации красителей вносит само электромагнитное излучение. Для его количественной оценки проведен следующий сравнительный эксперимент. Пропитанное красильным раствором и предварительно высушенное полиэфирное волокно, содержащее 5 % мочевины, нагревали ВЧ энергией в течение 10 мин. Максимальная температура, которую волокно достигало в этих условиях, составляло 127 оС, а степень фиксации красителя — 65 %.

Для того, чтобы определить вклад только тепловой энергии в эффект фиксации, идентичный образец волокна обрабатывали в среде горячего воздуха в течение 10 мин при 127 оС. При этом степень фиксации составила 13 %. Это позволило авторам анализируемой работы сделать вывод, что на долю ВЧ энергии приходится остальные 52 %.

Существенное влияние на фиксацию дисперсных красителей в условиях диэлектрического нагрева оказывает полярность красителей, характеризуемая дипольным моментом [82]. С этой позиции представляет интерес оценить эффективность различных вариантов ВЧ обработки:

1. ВЧ нагрев влажного волокна.

2. ВЧ нагрев предварительно высушенного волокна в паровой среде.

3. ВЧ нагрев высушенного волокна без запаривания.

4. ВЧ нагрев высушенного волокна без запаривания при содержании в волокне мочевины в количестве 5 %.

5. Обработка волокна насыщенным водяным паром в течение 60 с.

6. Термообработка горячим воздухом при температуре 180 оС в течение 60 с.

Табл. 18. Влияние на степень фиксации дисперсных красителей полиэфирным волокном полярности красителей и способа обработки Диполь- Степень фиксации (%) при обработке по варианту:

Примечание. Мощность ВЧ генератора — 1,5 КВт; частота — 27,12 МГц; время нагрева — 30 с.

Результаты фиксации дисперсных красителей полиэфирным волокном приведены ниже в табл. 18. Из представленных данных обнаруживается четкая корреляция между полярностью дисперсных красителей и степенью фиксации дисперсных красителей полиэфирным волокном в условиях ВЧ нагрева. Причем более заметное влияние полярности отмечается при наличии в волокне мочевины. Так, в случае красителя с минимальным дипольным моментом температура волокнистого материала составляет 127 оС, что ниже температуры плавления мочевины. В этих условиях наблюдается низкая степень фиксации красителя (10 %).

Повышение дипольного момента дисперсного красителя с 3,6 до 8,2 обуславливает увеличение температуры волокна до 172 оС и степени фиксации — до 79 %. На основании этого рекомендуется использовать для ВЧ крашения полиэфирных материалов красители с большим дипольным моментом.

Отмеченный выше факт увеличения температуры нагрева с ростом полярности дисперсных красителей позволяет сделать вывод о том, что в условиях диэлектрического нагрева в системе "расплав мочевины — краситель" последний не является инертным компонентом. Напротив, полярный краситель, склонный в большей степени к дипольной поляризации, поглощая ВЧ энергию, повышает диэлектрические потери системы и тем самым способствуют увеличению температуры нагрева. С другой стороны, полярные молекулы красителя совершают более интенсивное колебательные движения в такт пульсации электрического поля, что повышает их диффузионную способность по отношению к волокнообразующему полимеру.

Подытожим выше представленные экспериментальные данные. Итак, ВЧ нагрев предварительно высушенного полиэфирного волокна без использования полярных интенсификаторов (вариант 3) не обеспечивает эффективного закрепления красителя волокном. Более эффективен способ обработки, совмещающий ВЧ нагрев волокна с обработкой водяным паром (вариант 2). Присутствие в волокнистом материале воды (вариант 1) или мочевины (вариант 4) существенно интенсифицирует процесс фиксации и увеличивает выход красителя до уровня, превышающего соответствующие показатели обычных способов обработки (варианты 5 и 6).

Определяющим ход дальнейших исследований явился отмеченный выше факт положительного влияния на результаты фиксации красителей присутствующей в волокне мочевины. Теоретическое обоснование роли расплавов полярных органических соединений в качестве интенсификатора процессов фиксации красителей в условиях диэлектрического нагрева выполнено автором в работах [13, 121]. Значительный интерес для понимания механизма интенсифицирующего действия мочевины представляет информация о зависимости ее диэлектрических свойств от температуры (рис. 22).

Существенным здесь является то, что тангенс угла диэлектрических потерь мочевины при переходе ее в расплавленное состояние скачкообразно увеличивается 0, до высоких значений (0,3–0,5), стрированный эффект можно объ- 0, яснить следующим образом.

Мочевина по своим электрофизи- 0, ласти низких температур в кристаллическом состоянии поляризационные процессы развиваются Рис. 22. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь мочевины от темслабо, вследствие чего tg отнопературы.

сительно невысок. Более интенсивно процесс дипольной поляризации протекает, когда мочевина находится в жидком агрегатном состоянии (т.е. в расплаве) при ослабленных связях между молекулами. В результате расплав мочевины способен эффективно поглощать и преобразовывать электромагнитную энергию в тепловую внутри обрабатываемого волокнистого материала и таким образом быстро нагревать его до температуры плавления мочевины (133 оС) и выше. Установлено, что положительное действие мочевины в максимальной степени проявляется при обработке тканей в "массе", т.е. в виде рулона или нескольких образцов, сложенных в наклад, когда из-за уменьшения теплообмена ткани с окружающей средой обеспечивается аккумуляция тепловой энергии внутри материала. Следствием этого является интенсивный разогрев волокна до высокой температуры.

Таким образом, на ряде примеров было показано, что использование ВЧ энергии является весьма эффективным средством ускорения процесса фиксации красителей при крашении текстильных материалов различного волокнистого состава красителями разных классов. Направлением развития и дальнейшего совершенствования ВЧ технологии крашения текстильных материалов, по мнению автора, является совместное применение традиционных теплоносителей (горячего воздуха, насыщенного и перегретого водяного пара) и электромагнитной энергии, когда последней отводится роль фактора, активирующего протекание того или иного технологического процесса, в комбинации с использованием интенсификаторов ВЧ нагрева. Оптимальное сочетание указанных вариантов обработки позволит в максимальной степени использовать достоинства каждого из способов и создать высокоэффективные прогрессивные технологические процессы.

1.5.4 Заключительная отделка тканей В операциях заключительной отделки тканей с использованием отделочных препаратов на основе термореактивных смол, существуют определенные трудности, связанные с сушкой аппретов, т.к. аппретирующие вещества обычно мигрируют к поверхности материала в процессе конвективной сушки, неравномерно распределяясь по толщине и локализуясь на поверхности волокнистого материала. В результате этого качество отделки изделия часто находится на невысоком уровне. С целью повышения качества заключительной отделки материалов предлагается применять диэлектрический способ нагрева [83, 84, 85, 86]. Преимущество его использования в заключительной отделке по сравнению с конвективным способом подвода тепла обусловлен возможностью равномерного и быстрого нагрева текстильных изделий как малого, так и большого поперечного сечений. Следствием этого является резкое уменьшение миграции отделочного препарата и равномерное его распределение в материале. Дополнительным преимуществом является возможность совмещения операций сушки и закрепления аппрета в одну стадию.

Одним из наиболее перспективных направлений является применение ВЧ нагрева в огнезащитной отделке волокнистых материалов для закрепления аппретов, придающих огнезащитные свойства целлюлозным материалам [16]. Проблема сушки огнеупорных аппретов наиболее остра, так как используемые антипирены не имеют обычно сродства к текстильному материалу и интенсивно мигрируют к его поверхности. Исследование поперечных разрезов бобин с волокном, аппретированных пироватексом и высушенных в барокамерах, показало, что концентрация аппрета экспоненциально увеличивается от внутренних слоев к наружным. Производившиеся с помощью растрового микроскопа исследования тканей, прошедших плюсовку и сушку на ширильно-сушильной машине при 120 оС, и тканей, высушенных в ВЧ поле с частотой 27,12 МГц, показали, что сушка конвективным способом ведет к обволакиванию волокон аппретом и склеиванию отдельных волокон между собой. Сушка с помощью ВЧ нагрева не изменяет микрорельеф волокон и обеспечивает равномерное распределение аппрета по их толщине. Отсутствие миграции огнеупорных веществ имеет следствием очевидное улучшение свойств тканей на ощупь и устранение жесткости, свойственной такого вида изделиям, улучшение огнестойкости по сравнению с тканями, прошедшими сушку на сушильно-ширильных машинах.

Интересная возможность применения ВЧ нагрева в заключительной отделке продемонстрирована в работе [87], в которой изучен одностадийный совмещенный способ сушки, крашения и малосминаемой отделки хлопкополиэфирной ткани. Особенность данного способа состоит в том, что крашение ткани и малосминаемая отделка достигаются в результате реакции смолообразования полимерного связующего под воздействием ВЧ нагрева, что одновременно обеспечивает и фиксацию пигмента в волокне. Ниже на рис. 23 проиллюстрирована взаимосвязь между интенсивностью окраски ткани, температурой ткани и потребляемой мощности от времени ВЧ нагрева (напряженность 1530 Вт/см).



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АЛЬ-ФАРАБИ А.Б. ТЕМИРБОЛАТ КАТЕГОРИИ ХРОНОТОПА И ТЕМПОРАЛЬНОГО РИТМА В ЛИТЕРАТУРЕ Монография Республика Казахстан Алматы 2009 УДК 821.09 ББК 83.3 Т 32 Рекомендовано к печати Ученым советом филологического факультета Казахского национального университета имени Аль-Фараби Рецензенты: доктор филологических наук, профессор, академик Академии гуманитарных наук Республики Казахстан Б.К. Майтанов; доктор филологических наук, профессор, академик МАИН Н.О....»

«Редакционная коллегия В. В. Наумкин (председатель, главный редактор), В. М. Алпатов, В. Я. Белокреницкий, Э. В. Молодякова, И. В. Зайцев, И. Д. Звягельская А. 3. ЕГОРИН MYAMMAP КАЪЪАФИ Москва ИВ РАН 2009 ББК 63.3(5) (6Ли) ЕЗО Монография издана при поддержке Международного научного центра Российско-арабский диалог. Отв. редактор Г. В. Миронова ЕЗО Муаммар Каддафи. М.: Институт востоковедения РАН, 2009, 464 с. ISBN 978-5-89282-393-7 Читателю представляется портрет и одновременно деятельность...»

«Министерство науки и образования Российской Федерации ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный университет ИНДЕКС УСТОЙЧИВЫХ СЛОВЕСНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПАМЯТНИКОВ ВОСТОЧНОСЛАВЯНСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ X–XI вв. Магнитогорск 2012 1 УДК 811.16 ББК Ш141.6+Ш141.1 И60 И60 Индекс устойчивых словесных комплексов памятников восточнославянского происхождения X–XI вв. / Науч.-исследоват. словарная лаб. ; сост. : О.С. Климова, А.Н. Михин, Л.Н. Мишина, А.А. Осипова, Д.А. Ходиченкова, С.Г. Шулежкова ; гл. ред. С.Г....»

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова Центр научного сотрудничества Интерактив плюс Наука и образование: современные тренды Серия: Научно–методическая библиотека Выпуск III Коллективная монография Чебоксары 2014 УДК 08 ББК 94.3 Н34 Рецензенты: Рябинина Элина Николаевна, канд. экон. наук, профессор, декан экономического факультета Зотиков Николай Зотикович, канд. экон. наук,...»

«Российская Академия Наук Институт философии В.В. Бибихин ВВЕДЕНИЕ В ФИЛОСОФИЮ ПРАВА Москва 2005 УДК 340.1 ББК 67.3 Б 59 Ответственный редактор доктор филос. наук А.П. Огурцов Рецензенты доктор филос. наук В.И. Молчанов доктор филос. наук С.С. Неретина Бибихин В.В. Введение в философию права. — М., Б 59 2005. — 345 с. Эта монография возникла из курсов лекций, которые читал Владимир Вениаминович Бибихин на философском факультете МГУ в 2001–2002 гг. и в Институте философии РАН в 2002 г. Автор...»

«Серия Historia Militaris исследования по военному делу Древности и Средневековья Р е д а к ц и о н н ы й с о в е т: Ю. А. Виноградов (Санкт-Петербург, Россия); В. А. Горончаровский (Санкт-Петербург, Россия); Н. Ди Космо (Принстон, США); Б. В. Ерохин (Санкт-Петербург, Россия); А. Н. Кирпичников (Санкт-Петербург, Россия); Б. А. Литвинский (Москва, Россия); А. В. Махлаюк (Нижний Новгород, Россия); М. Мельчарек (Торунь, Польша); В. П. Никоноров (Санкт-Петербург, Россия); В. Свентославский (Гданьск,...»

«Центр проблемного анализа и государственноуправленческого проектирования А.В. Кашепов, С.С. Сулакшин, А.С. Малчинов Рынок труда: проблемы и решения Москва Научный эксперт 2008 УДК 331.5(470+571) ББК 65.240(2Рос) К 31 Кашепов А.В., Сулакшин С.С., Малчинов А.С. К 31 Рынок труда: проблемы и решения. Монография. — М.: Научный эксперт, 2008. — 232 с. ISBN 978-5-91290-023-5 В монографии представлены результаты исследования по актуальным проблемам рынка труда в Российской Федерации. Оценена...»

«С.Г. Суханов Л.В. Карманова МОРфО-фИзИОЛОГИчЕСКИЕ ОСОБЕннОСтИ энДОКРИннОй СИСтЕМы У жИтЕЛЕй АРКтИчЕСКИх РЕГИОнОВ ЕВРОпЕйСКОГО СЕВЕРА РОССИИ С.Г. Суханов Л.В. Карманова Морфо-физиологические особенности эндокринной системы у жителей арктических регионов Европейского Севера России Архангельск 2014 УДК ББК Суханов С.Г., Карманова Л.В. Морфо-физиологические особенности эндокринной системы у жителей арктических регионов Европейского Севера России.– Архангельск: Изд-во Северного (Арктического)...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК МУЗЕЙ АНТРОПОЛОГИИ И ЭТНОГРАФИИ им. ПЕТРА ВЕЛИКОГО (КУНСТКАМЕРА) РАН Ю.В. Иванова Бучатская PLATTES LAND: СИМВОЛЫ СЕВЕРНОЙ ГЕРМАНИИ (cлавяно германский этнокультурный синтез в междуречье Эльбы и Одера) Санкт Петербург Наука 2006 Электронная библиотека Музея антропологии и этнографии им. Петра Великого (Кунсткамера) РАН http://www.kunstkamera.ru/lib/rubrikator/03/03_05/5-02-026470-9/ © МАЭ РАН УДК 316.7(430.249) ББК 63.5(3) И Печатается по решению Ученого совета МАЭ РАН...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ И. М. Гераимчук Теория творческого процесса Киев Издательское предприятие Эдельвейс 2012 Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины Национальный технический университет Украины Киевский политехнический институт И. М. Гераимчук Теория творческого процесса Структура разума (интеллекта) Киев Издательское предприятие Эдельвейс УДК 130.123.3:11....»

«гмион Межрегиональные исследования в общественных науках Министерство образования и пауки Российской Федерации ИНО-центр (Информация. Наука. Образование) Институт имени Кеннана Центра Вудро Вильсона (США) Корпорация Карнеги в Нью-Йорке (США) Фонд Джона Д. и Кэтрин Т. Мак-Артуров (США) / MИНОЦЕНТР HOL • информация.наука! образование Данное издание осуществлено в рамках программы Межрегиональные исследования в общественных науках, реализуемой совместно Министерством образования РФ, И НО-центром...»

«И. А. М О Р О З О В ФЕНОМЕН КУКЛЫ В ТРАДИЦИОННОЙ И СОВРЕМЕННОЙ КУЛЬТУРЕ КРОССКУЛЬТУРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕОЛОГИИ АНТРОПОМОРФИЗМА Р о сси й ск а я а ка де м и я наук. H.H. М и к л у х о - М а к л а я Институт этнологии и антроп ологии и м Рос си й с к ая а к а д е м и я наук И н с т и т у т э т н о л о г и и и а н т р о п о л о г и и и м. H.H. М и к л у х о - М а к л а я И.А. МОРОЗОВ ФЕНОМЕН КУКЛЫ В ТРАДИЦИОННОЙ и СОВРЕМЕННОЙ КУЛЬТУРЕ

«Негосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ИНСТИТУТ НЕПРЕРЫВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Кафедра естественнонаучных и общегуманитарных дисциплин В. К. Криворученко ИСТОРИЯ — ФУНДАМЕНТ ПАТРИОТИЗМА Москва — 2012 УДК 93.23 ББК 63.3 К82 Рецензенты: Королёв Анатолий Акимович, доктор исторических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ (АНО ВПО Московский гуманитарный университет); Козьменко Владимир Матвеевич, доктор исторических наук, профессор, заслуженный деятель...»

«Межрегиональные исследования в общественных науках Министерство образования и науки Российской Федерации ИНО-центр (Информация. Наука. Образование) Институт имени Кеннана Центра Вудро Вильсона (США) Корпорация Карнеги в Нью-Йорке (США) Фонд Джона Д. и Кэтрин Т. Мак-Артуров (США) Данное издание осуществлено в рамках программы Межрегиональные исследования в общественных науках, реализуемой совместно Министерством образования и науки РФ, ИНО-центром (Информация. Наука. Образование) и Институтом...»

«УА0600900 А. А. Ключников, Э. М. Ю. М. Шигера, В. Ю. Шигера РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ АЭС И МЕТОДЫ ОБРАЩЕНИЯ С НИМИ Чернобыль 2005 А. А. Ключников, Э. М. Пазухин, Ю. М. Шигера, В. Ю. Шигера РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ АЭС И МЕТОДЫ ОБРАЩЕНИЯ С НИМИ Монография Под редакцией Ю. М. Шигеры Чернобыль ИПБ АЭС НАН Украины 2005 УДК 621.039.7 ББК31.4 Р15 Радиоактивные отходы АЭС и методы обращения с ними / Ключников А.А., Пазухин Э. М., Шигера Ю. М., Шигера В. Ю. - К.: Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины,...»

«Российская академия наук Кольский научный центр Мурманский морской биологический институт Н. М. Адров ДЕРЮГИНСКИЕ РУБЕЖИ МОРСКОЙ БИОЛОГИИ к 135-летию со дня рождения К. М. Дерюгина Мурманск 2013 1 УДК 92+551.463 А 32 Адров Н.М. Дерюгинские рубежи морской биологии (к 135-летию со дня рождения К. М. Дерюгина) / Н.М. Адров; Муман. мор. биол. ин-т КНЦ РАН. – Мурманск: ММБИ КНЦ РАН, 2013. – 164 с. (в пер.) Монография посвящена научной, организаторской и педагогической деятельности классика морской...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО БЛАГОВЕЩЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Е. М. Ерёмин ЦАРСКАЯ РЫБАЛКА, или СТРАТЕГИИ ОСВОЕНИЯ БИБЛЕЙСКОГО ТЕКСТА В РОК-ПОЭЗИИ Б. ГРЕБЕНЩИКОВА Благовещенск Издательство БГПУ 2011 1 ББК 83.3 (2Рос=Рус07 Печатается по решению редакционноЕ 70 издательского совета Благовещенского государственного педагогического университета Ерёмин Е.М. Царская рыбалка, или Стратегии освоения библейского текста в рок-поэзии Б....»

«А.Н. КОЛЕСНИЧЕНКО ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ ТРАНСПОРТА ВО ВНЕШНЕЙ ТОРГОВЛЕ Под общей редакцией доктора экономических наук В.Л. Малькевича Общество сохранения литературного наследия Москва 2011 УДК [339.5:658.7](035.3) ББК 65.428-592 К60 Колесниченко Анатолий Николаевич. Основы организации работы транспорта во внешней торговле / А.Н. Колесниченко; под общ. ред. В.Л. Малькевича. – М. : О-во сохранения лит. наследия, 2011. – 280 с.: илл. – ISBN 978-5-902484-39-4 Агентство CIP РГБ Настоящая работа...»

«Federal Agency of Education Pomor State University named after M.V. Lomonosov Master of Business Administration (MBA) A.A. Dregalo, J.F. Lukin, V.I. Ulianovski Northern Province: Transformation of Social Institution Monograph Archangelsk Pomor University 2007 2 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Поморский государственный университет имени М.В. Ломоносова Высшая школа делового администрирования А.А. Дрегало, Ю.Ф....»

«Н.Н. КАРКИЩЕНКО АЛЬТЕРНАТИВЫ БИОМЕДИЦИНЫ Том 1 ОСНОВЫ БИОМЕДИЦИНЫ И ФАРМАКОМОДЕЛИРОВАНИЯ Межакадемическое издательство ВПК Москва 2007 УДК 61:57.089 52.81в6 Каркищенко Н.Н. Альтернативы биомедицины. Том 1. Осно К 23 вы биомедицины и фармакомоделирования – М.: Изд во ВПК, 2007. – 320 с.: 86 ил. ISBN Монография посвящена историческим предпосылкам, а также теорети ческим и прикладным аспектам биомедицины и фармакомоделирова ния, построения и анализа биомоделей. Даны современные представле ния о...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

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.