Разработка оптимального режима беления льняных материалов периодическим способом

Льняные ткани всегда пользуются приоритетом среди натуральных текстильных материалов вследствие не только красивого внешнего вида и комфортности в эксплуатации. Они высоко гигроскопичны, прекрасно регулируют теплообмен, не вызывают раздражения кожи или других аллергических реакций, «дышащие» и гигиеничные, обладают бактерицидным действием и отражают ультрафиолетовое излучение. Кроме того, они долговечны и одежда из льна при правильном уходе не садится и не растягивается. Недостатком этих тканей является их дороговизна, так как получение и отделка их весьма ресурсо- и энергозатратны. В последнее время вопрос доступности таких материалов для широких слоев населения решается в производстве смешанных льняных тканей и полотен на основе добавления более дешевого хлопкового сырья при изготовлении. Таким образом сохраняются все преимущества льняных материалов и снижается их себестоимость. Это, в свою очередь, требует пересмотра и усовершенствования технологии отделочных операций, оптимизации и снижения ресурсоемкости. Поэтому, целью настоящей работы является разработка наиболее эффективного способа беления льняных материалов периодическим способом, обеспечивающим высокие качественные показатели процесса, сокращение времени обработки и снижение расхода воды.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования является льняная смешанная ткань группы 125р25-БД, артикул 1040, производство ТОО «Техт Трейд», Россия. Технические характеристики ткани приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики льняной смешанной ткани

Наименование, артикул	Поверхностная плотность, г/м	Состав %	Ширина ткани, см	Переплетение
Лен 1040	140±8	51% лен 49 % хлопок	230±2,5	полотняное

Образцы льняной ткани отбеливают по совмещенному периодическому способу активными красителями по неизотермическому режиму при 90°С согласно технологической схемы (рис. 1) с варьированием компонентов белящего раствора:

A – противозаломный, смачивающий препарат – 1-2,5 г/л

B – едкий натр NaOH (100%) – 2,5-10 г/л

C – силикат натрия Na 2 SiO 3 , стабилизатор – 7-20 г/л

D – пероксид водорода H 2 O 2 (37%) – 12-20 г/л.

По результатам предварителного эксперимента были построены математемати-ческие модели (по полному факторному эксперименту) технологического процесса отбеливания льняной смешанной ткани по совмещенному периодическому способу с использованием программного обеспечения научных исследований «MatLab» и получены оптимальные значения рецептуры и параметры технологического процесса обработки для разных концентраций составляющих рабочего раствора.

A — противозаломный, смачивающий препарат В - едкий натр NaOH (100%)

С — силикат натрия NaSiOi, стабилизатор

D - пероксид водорода Н2О2 (37%)

Рисунок 1 – Технологическая схема совмещенного режима отбеливания льняной смешанной ткани

Параметры моделирования представлены в таблице 2, матрицы планирования, рабочие матрицы и результаты экспериментов по изучению влияния концентраций компонентов и температурного режима на степень бе- лизны, разрывную нагрузку, капиллярность и усадку льняного смешанного материала представлены в таблицах 3, 4, 5 и 6 и на рисунках 2 – 6.

Таблица 2 - Интервалы и уровни варьирования факторов

Уровни факторов	Концентрация компонентов, г/л
	Х 1 NaOH (100%)	Х 2 Na 2 SiO 3	Х 3 H 2 O 2 (37%)
Основной уровень	6,25	15	15
Интервал варьирования	1,25	3	3
Верхний уровень (хj=+1)	7,5	18	18
Нижний уровень (хj=-1)	5	12	12

Концентрация противозаломного, смачивающего препарата для всех опытов эксперимента является величиной постоянной и составляет 1,5 г/л.

Таблица 3 - Значения входных факторов и выходных показателей для каждого выбранного состава обработки

№	Входные факторы						Выходные показатели
	Концентрация (г/л)						Y 1 (L), %	Y 2 (F), кгс	Y 3 (Н), мм	Y 4 (У), %
	Х 1 NaOH (100%)		Х 2 Na 2 SiO 3		Х 3 H 2 O 2 (37%)
1	+	7,5	+	18	+	18	91,82	29	220	9,8
2	-	5	+	18	+	18	91,87	29,5	200	7,45
3	+	7,5	-	12	+	18	91,55	29,5	212	8,8
4	-	5	-	12	+	18	92,23	29	194	7,45
5	+	7,5	+	18	-	12	92,45	30	198	5,55
6	-	5	+	18	-	12	92,48	29,5	192	6,0
7	+	7,5	-	12	-	12	92,12	30	190	5,8
8	-	5	-	12	-	12	91,80	30	188	6,23

Y 1 (L), % – степень белизны                 Y 3 (Н), мм – капиллярность

Y 2 (F), кгс – разрывная нагрузка              Y 4 (У), % – усадка (средние значения)

Из анализа полученных значений выходных показателей следует, что все моделируемые составы отбеливающего раствора обеспечивают высокие показатели степени белизны и прочностных характеристик (разрывная нагрузка для неотбеленного образца составляет 30 кгс). Таким образом в качестве критериев оптимизации были выбраны показатели капиллярности и усадки.

Число опытов в матрице планирования равно N = 8 для для каждого выбранного режима обработки.

Результаты и их обсуждение

Определение капиллярности тканей проводили согласно ГОСТ 3816-61. Степень капиллярности определяли при этом высотой L (мм), на которую поднимается за это время жидкость.

Степень белизны (коэфицентт яркости, светлоту) определяли по коэффициенту спектрального отражения на спектрофотометре Precise Colorimeter CS – 210 при длине 487 нм для отбеленных тканей.

Определение разрывных характеристик проводили на разрывной машине РТ-250 М согласно ГОСТ 3813–72.

Усадку образца определяли согласно ГОСТ 30157.1–95.

По полученным данным эксперимента показано, что по предлагаемому режиму отбеливания достигнуты высокие показатели степени белизны (рис. 2) и практически отсутствует деструкция волокна, так как изменение прочностных показателей (разрывная нагрузка) тканей с учетом усадки составляет 2,1-4,7 % (рис. 3).

Рисунок 2 – Показатели степени белизны образцов льняной смешанной ткани в соответствии с рецептурой отбеливания

Рисунок 3 – Показатели разрывной нагрузки образцов льняной смешанной ткани в соответствии с рецептурой отбеливания

Для оценки влияния входных факторов на капиллярность отбеленных образцов были построены две математические модели для оценки дисперсии воспроизводимости и оценки дисперсии среднего значения (более точное моделирование). В результате реализации плана исследования были получены следующие частные значения критерия оптимизации (капиллярности), которые представлены в таблицах 4 и 5.

Для оценки влияния входных факторов на усадку отбеленных образцов (по средним значениям) была построена математическая модель для оценки дисперсии среднего значения. В результате реализации плана исследования были получены следующие частные значения критерия оптимизации (капиллярности), которые представлены в таблице 6.

По результатам полного факторного эксперимента был проведен статистический анализ, включающий:

• -    проверку воспроизводимости эксперимента;

• -    проверку значимости коэффициентов регрессии для каждого полученного уравнения;

• -    проверку адекватности уравнений регрессии эксперименту с помощью критерия Фишера.

I Оценка влияния входных факторов на капиллярность отбеленных образцов

Модель 1.1 – по значениям оценки дисперсии воспроизводимости

По полученным данным и произведенному статистическому анализу (таблица 4) было получено следующее уравнение, адекватное исследуемому процессу:

Y (1.1) = 199,25 + 5,75X1 + 7,25X3

Таблица 4 - Расчетные данные соответствия (адекватности) полученной модели 1.1 для разработанного совмещенного режима отбеливания

№	N	S bj	t ( f у)	d	S y2	f у	S ад2	f ад	Р, %	F опыт	F табл.
1.1	8	1,7	2,31	3	23,1	8	46,0	5	95	1,99	3,69

Из анализа значений коэффициентов регрессии полученной модели 1.1 следует, что самыми значимыми факторами в исследуемом совмещенном процессе отбеливания, влияющими на капиллярность льняных материалов, являются значения концентраций X3 - пероксида водорода H2O2 (37%) и X1 - ед- кого натра NaOH (100%). Наглядное представление о геометрическом образе изучаемой функции отклика представлено на рисунке 4 в трехмерном пространстве (а) и на факторной плоскости (Х1Х3) линиями постоянных значений (б).

Рисунок 4 – Зависимость значений капиллярности отбеленной ткани от концентраций едкого натра NaOH

(100%) – Х1 и пероксида водорода H 2 O 2 (37%) – Х3, Y = 199,25 + 5,75*X1 + 7,25*X3. (а - трехмерный и б - градиентный графики)

Модель 1.2 – по значениям оценки дис-          По полученным данным и произведен- персии среднего значения (более точное мо- ному статистическому анализу (табл. 5) было делирование)                                  получено следующее уравнение, адекватное исследуемому процессу:

Y (1.2) = 199,25 + 5,75X1 + 3,25X2 + 7,25X3 + 3,75X1X3

Таблица 5 - Расчетные данные соответствия (адекватности) полученной модели 1.1 для разработанного совмещенного режима отбеливания

№	N	S bj	t ( f у)	d	S yср2	f уср	S ад2	f ад	Р, %	F опыт	F табл.
1.1	8	1,19	2,31	5	11,5	8	1,83	3	95	6,28	8,85

Анализа значений коэффициентов регрессии полученной модели 1.2 показывает, что в исследуемом совмещенном процессе отбеливания на капиллярность льняных материалов оказывают влияние значения концентраций не только всех трех факторов, но и значение совместного взаимодействия Х1Х3, то есть – соотношение концентраций X3 – пероксида водорода H2O2 (37%) и X1 - едкого натра NaOH (100%). Графическое представление о геометрическом образе изучаемой функции отклика представлено на рисунке 5 в трехмерном пространстве.

Рисунок 5 – Зависимость значений капиллярности отбеленной ткани от концентраций едкого натра NaOH (100%) – Х1, силиката натрия Na 2 SiO 3 – Х2, пероксида водорода H 2 O 2 (37%) – Х3 и двойного взаимодействия Х1Х3, Y = 199,25 + 5,75*X1 + 3,25*X2 + 7,25*X3 + 3,75*X1*X3

II Оценка влияния входных факторов на усадку отбеленных образцов (по средним значениям)

Модель 2 – по значениям оценки дисперсии среднего значения

Y (2) = 7,135 + 0,353*X1 + 1,24*X3 + 0,57*X1*X3

По полученным данным и произведенному статистическому анализу (табл.6) было получено следующее уравнение, адекватное исследуемому процессу:

Таблица 6 - Расчетные данные соответствия (адекватности) полученной модели 2 для разработанного совмещенного режима отбеливания

№	N	S bj	t ( f у)	d	S yср2	f уср	S ад2	f ад	Р, %	F опыт	F табл.
1.1	8	0,135	2,31	4	0,15	8	0,14	4	95	1,07	6,04

Из анализа значений коэффициентов регрессии полученной модели 2 следует, что значение концентрации Х2 - силиката натрия Na 2 SiO 3 не оказывает решающего значения на усадку льняных тканей в ходе исследуемого совмещенного процесса отбеливания. Самым значимым фактором в данном случае является наличие и соотношение концентраций X3 – пероксида водорода H 2 O 2 (37%), X1 - едкого натра NaOH (100%) и их парного взаимодействия. Графическое представление о геометрическом образе изучаемой функции отклика представлено на рисунке 6 в трехмерном пространстве (а) и на факторной плоскости (Х1Х3) линиями постоянных значений (б).

Выводы

• 1.    Разработан периодический совмещенный способ для отбеливания льняных и

• смешанных тканей, позволяющий получить высокие значения степени белизны и капиллярности с сохранением прочностных показателей и минимальной деструкцией целлюлозного волокна.

• 2.    Разработаны технологические параметры процесса совмещенного отбеливания с использованием программного обеспечения научных исследований «MatLab» и получены оптимальные значения рецептуры и параметры технологического процесса обработки.

• 3.    Исследовано влияние состава компонентов отбеливающей ванны на критерии оптимизации и установлено рекомендуемое соотношение концентрации пероксида водорода H 2 O 2 (37%) к концентрации едкого натра NaOH (100%) (не менее 1,3 раза).

  

  Х1

  (а - трехмерный и б - градиентный графики)

  Рисунок 6 – Зависимость значений усадки отбеленной ткани (по средним значениям) от концентраций едкого натра NaOH (100%) – Х1, пероксида водорода H 2 O 2 (37%) – Х3 и двойного взаимодействия Х1Х3, Y = 7,135 + 0,353*X1 + 1,24*X3 + 0,57*X1*X3

  
  

• 4.    Изменение прочностных показателей (разрывная нагрузка) тканей, обработанных по предлагаемому способу с учетом усадки, составляет 2,1-4,7% и соответствует требованиям технических регламентов ТР ТС 007/2011 «О безопасности продукции, предназначенной для детей и подростков» и ТР ТС 017/2011 «О безопасности продукции легкой промышленности».

• 5.    Установлено, что применение данного способа беления льняных и смешанных тканей сокращает время технологического процесса в 1,7 – 2,1 раза за счёт совмещения процессов отварки и собственно беления, сокращает время и дополнительные затраты ресурсов на промывку в 1,4 раза.

• 6.    Предлагаемый периодический способ совмещенного беления рекомендован для оборудования эжекторного типа и джиггеров, не требует больших производственных площадей и подходит для малых отделочных предприятий.