Возможности применения фторированного алюмосиликата при колорировании текстильных материалов пигментами

Отделочное производство текстильной промышленности характеризуется многообразием технологических процессов, широким ассортиментом используемых химических реагентов, красителей и отделочных препаратов, большим энерго- и водопотреблением. Совокупность технического оснащения и технологических решений определяет, в конечном итоге, себестоимость, качество и экономичность выпускаемой продукции на внутреннем и мировом рынках.

Поскольку при разработке новых технологий отделки текстильных материалов необходимо принимать во внимание факторы экологичности, экономичности и технологичности производства решающее значение приобретает поиск новых препаратов и умелое использование различных технологических приемов обработки, позволяющих достигать высокого качества продукции с минимальными затратами и практическим отсутствием вредных производственных выбросов.

Одним из принципиальных путей решения проблемы экологии является использование на технологические нужды веществ и препаратов, которые по своей сути не представляют опасности для человека.

На кафедре ХТВМ ИГХТУ не первый год ведутся работы по использования нерастворимых алюмосиликатов в технологии отделки текстильных материалов: накоплен опыт применения силикатов для модификации свойств шерстяного волокна [1], для очистки отработанных красильных растворов [2].

В процессе исследований была отмечена высокая сорбционная активность и оригинальность «поведения» фторированного алюмосиликата (ФТАС), являющегося побочным продуктом в производстве фторида алюминия [3, 4]. Уни-кальностьегозаключается в том, что в отличие от обычных нерастворимых алюмосиликатов ФТАС сочетает нерастворимую (оксиды кремния и алюминия) и растворимую (фторид алюминия) фракции.

В статье рассматривается возможность применения ФТАС при колорировании текстильных материалов пигментными красителями. В последние годы пигменты приобрели большую популярность у производителей тканей. Несомненным достоинством этого класса красителей являются разнообразие цветов и оттенков, простота использования, возможность нанесения на любые термоустойчивые волокна, а главное – сокращения технологического цикла за счёт исключения операции промывки. Непрерывно растет спрос на новые оригинальные эффекты пигментной печати с применением экологически безопасных наполнителей.

Основной принцип пигментной печати заключается в том, что закрепление красителей на волокне не связано с проявлением действия сил сродства между ними, а осуществляется с помощью связующих, фиксирующих частицы нерастворимого красителя в двух- и трехмерной сетке. Непременным условием образования такой связи является наличие катализатора, в качестве которого обычно используются потенциально кислые соли [5, 6], проявляющие свои кислотные свойства на стадии термообработки.

Благодаря наличию водорастворимого фторида алюминия ФТАС имеет кислую реакцию. Это, а также мелкодисперсность и белый цвет нерастворимой части порошка позволяют использовать его как в качестве наполнителя для купирования печатных красок, так и катализатора процесса фиксации красителя на волокне.

Другим вариантом применения фторированного алюмосиликата в сочетании с пигментами может быть обесцвечивания отработанных красильных растворов.

Материалы и методы

Объектом исследования являлся фторированный алюмосиликат (ФТАС), имеющий брутто формулу хАl 2 О 3 *уSiО 2 *zАlF 3 . Кроме окислов алюминия и кремния, ФТАС содержит в своем составе 2–6% фторида алюминия. Несмотря на ограниченную растворимость в воде (0,41% по массе при 25 °C),фторид алюминия каталитически активен и в этом качестве используется в ряде химических процессов [7]. Размер частиц порошка ФТАС сопоставим с размерамичастиц пигментных красителей, а белизна порошка (85%) близка к этому показателю для оксида титана (84%) и гидроксида алюминия (90%), применяемых для производства белых пигментов.

В работе были использованы технические красители производства Турции, отличающиеся цветом и химическим строением – пигменты: голубой МВ, красный R2В, фиолетовый VRE, золотисто-желтый К2R, оранжево-красный OR, пурпурный РР4, коричневый BR.

Печать вели по хлопчатобумажной ткани полотняного переплетения с поверхностной плотностью 250 г/м ² , композициями для пигментной печати производства России (композиция I), Германии (композиция II), Турции (композиция III). Основными составляющими композиций являются загуститель, придающий печатной краске необходимые реологические характеристики, а также связующее вещество и фиксатор, закрепляющие краситель на волокне. Кроме них в состав входят различные текстильновспомогательные вещества (ТВВ) – мягчители, эмульгаторы и пр. и катализатор, активирующий при повышении температуры процесс «пришивки» красителя к волокну.

Составы наносили на текстильный материал через сетчатые шаблоны, сушили и термо-фиксировали при температуре 160 ⁰ С в течение 2 мин. Качество печати определялось по устойчивости к сухому и мокрому трению (по ГОСТ 9733.27–83) и к стирке (ГОСТ 9733.0–83). Колористические характеристики печатного рисунка оценивались по интенсивности окраски. Для этого измеряли коэффициент отражения от материала R на спектрофотометре"Specol-11" при соответствующих длинах волн и рассчитывали функцию К/S по формуле Гуревича – Кубелки – Мунка (ГКМ) [ 8 ] :

K = (1 - R,) 2 - (1 - R s ) ² , (1)

S 2 R. 2 RS ’

Где К – коэффициент поглощения света, окрашенным волокном; S – коэффициент рассеяния этим же волокном; R l – спектральный коэффициент отражения окрашенной ткани.

После этого с помощью компьютерной программы, определяли положение цвета на координатной плоскости в координатах а и b в равноконтрастной системе СIЕLа*×b*.

Для оценки эффективности очистки отработанных растворов от пигментов навеску фторированного алюмосиликата (5 г) помещали в высокий химический стакан, добавляли 2 мл дисперсии красителя (1 г/л) и доводили дистиллированной водой до 100 мл. Контроль вели комплексно визуально и инструментально, определяя изменение мутности, цвета и оптической плотности дисперсий при длине волны

Влияние природы катализатора характерной для данного цвета красителя (на фотоколориметре) [8], а также окраски осадков глин. На спектрофотометре «Spekord 450 – М» с автоматической регистрацией данных были получены спектры поглощения раствора над осадком в диапазоне длин волн 350–750 нм. Контроль проводился с момента приготовления дисперсий ежедневно в течение 3 суток отстаивания.

Результаты и обсуждение

В таблице 1 представлены результаты колорирования хлопчатобумажной ткани пигментными композициями, в которых использовали фирменные катализаторы и ФТАС.

Как следует изоценки колористических и прочностных показателей окрасок, полученных с применением композиций различных фирм, алюмосиликат успешно заменяет промышленно выпускаемые катализаторы.

Дополнительным положительным свойством, отмеченном при использовании ФТАС, является увеличение срока хранения композиции. Как известно, готовые печатные составы на предприятиях обычно используются в течение одной – двухрабочих смен, т. к. они сохраняют свои свойства не более суток [5, 6]. Длительное их хранение вызывает ухудшение качества печати, что связано с нарушением реологических характеристик печатного состава [6]. Так, композиции II и III загустевают и теряют свою пластичность, при этом резко падает интенсивность отпечатка. Композиция I напротив, разжижается, становится водянистой, поэтому напечатанные с ней рисунки не имеют четкого контура (таблица 1) .

Таблица 1. на качество пигментной печати

Table 1.

Influence of the catalyst on the quality of pigment printing

s -2Р С	Показатель Mark	Печатны есоставы │ Pigment composition
		Композиция I Composition I		Композиция II Composition II		Композиция III Composition III
		Катализатор I Catalyst I	ФТАС fluorinated aluminum silicate	Катализатор II Catalyst II	ФТАС Fluorinated aluminum silicate	Катализатор III Catalyst III	ФТАС Fluorinated aluminum silicate
® т 3S VO гО	Интенсивность, K/S Color intensity, K/S	34,1	34,9	40,9	39,8	39,4	33,3
	Устойчивость к стирке Washfastness	4/5/4	4/5/4	4/5/5	5/5/5	4/4/4	4/5/4
	Устойчивость к трению (Friсtiоn fastness) – сухому(dry) – мокрому (wet)	4/4 4/3	4/4 4/3	5/4 4/4	5/5 4/4	4/4 4/3	5/4 4/3
1	Интенсивность, K/S Color intensity, K/S	38,4	40,6	43,6	42,0	44,1	42,3
	Устойчивость к стирке Washfastness	3/4/3	3/4/4	4/5/4	5/4/4	4/3/4	4/4/4
	Устойчивость к трению (Friсtiоn fastness) – сухому(dry) – мокрому (wet)	4/5 3/3	5/4 4/4	4/4 3/3	4/4 4/3	4/3 3/3	4/4 4/3

В присутствии ФТАС этого не происходит. Ограниченная растворимость фторида алюминия, с одной стороны, и распределение его в структуре нерастворимых окислов алюминия и кремния, с другой, делает АlF 3 каталитически не активным при комнатной температуре. Поэтому порошок ФТАС, фактически, представляет собой «депо» для хранения АIF 3 и высвобождает его только на стадии фиксации.Это позволяет увеличить срок хранения готовых составов с 24 до 72 часов без ухудшения качества печати.

При увеличении содержания ФТАС в печатном составе до 2,5–10 г/кг, минерал может выступать в роли не только катализатора, но и наполнителя для «разбавления» цвета. При этом были получены оригинальные колористические эффекты. При соотношении краситель: ФТАС 1:5 изменялась не только насыщенность окраски, но и оттенок цветного пигмента. Подтверждением этого являются координаты цвета образцов, напечатанных одним и тем же красителем с алюмосиликатом и белым пигментом в качестве наполнителя (рисунок 1) .

Рисунок 1. Координаты цвета образцов напечатанных пигментами «♦» – красным R2В и «•» – голубым МВ: 1 – Исходный; 2 – Композиция I + ФТАС; 3 – Композиция III + ФТАС; 4 – Композиция I + белый пигмент; 5 – Композиция III + белый пигмент Figure 1. The color coordinates of the samples that are printed with pigments "♦" – Red R2В and "•" – Blue MB: 1 – Original; 2 – Composition I + fluorinated aluminum silicate; 3 – Composition III + fluorinated aluminum silicate; 4 – Composition I + white pigment;

5 – Composition III + white pigment

Вектор изменения координат цвета при этом направлен в сторону отрицательных значений, что придает расцветкам более «холодные» оттенки, чем при печати с белым пигментом. Например, голубой пигмент приобретает бирюзовый, а красный – розовый оттенки.

При увеличении содержания ФТАС до соотношения 1:10, кроме изменения цветовых характеристик расцветок было отмечено появление эффекта «мелкозернистой» печати, особенно заметного на темном фоне. Этого нельзя достичь при использовании обычного белого пигмента, отпечаток с которым тусклый и невыразительный (рисунок 2).

Рисунок 2. Печать по темной ткани пигментом красным R2В в присутствии: 1 – ФТАС; 2 – белого пигмента

Figure 2. Printing on dark fibre material with pigment red R2В in the presence of: 1 – fluorinated aluminum silicate; 2 – white pigment

Появление такого оригинального эффекта на наш взгляд связано с сорбционной активностью, которую проявляет фторированный алюмосиликат по отношению к пигментным красителям. Можно предположить, чтов печатном составе между красителем и ФТАС образуются ассоциаты, с наружным расположением красителя на частице алюмосиликата. Благодаря этому цвет пигмента не теряется на темном фоне, образуя рисунок, который визуально кажется выпуклым. Прочностные характеристики таких расцветок не уступают традиционной печати.

На сорбционной активности ФТАС по отношению к пигментам основывается и процесс очистки отработанных растворов от пигментных красителей. Выше уже отмечалось, что ткани, колорированные пиментами, не нуждаются в промывке, однако краситель все равно может попасть в сточные воды при очистке оборудования, барок, сетчатых шаблонов. В этом случае перспективным может быть использование ФТАС в качестве адсорбента. Если в водную дисперсию пигмента поместить мелкодисперсный ФТАС, то, оседая, он будет захватывать краситель.

На рисунке 3 представлены данные по изменению оптической плотности растворов пигментов сразу после приготовления, через день и через 5 дней отстаивания с ФТАС. Полученные данные свидетельствуют о том, что за 24 часа система практически полностью обесцветится. При этом осевший порошок приобретает оттенок пигмента.

H о о к н о п к к Q О У S н к

0,25

0,20

8 0,15

0,00 LIzIziJilJzIZ^^ _ , 1~П

0,00

• ■ первые сутки | the first day D вторые сутки | the second day D пятые сутки | the fifth day

Рисунок 3. Изменение оптической плотности в присутствии ФТАС дисперсий пигментов: 1 – красного R2В; 2 – голубого МВ; 3 – фиолетового VRE; 4 – золотисто-желтого К2R; 5 – оранжево-красного OR; 6 – пурпурного РР4;

• 7 – коричневого BR

Figure 3. The optical density in the presence of fluorinated aluminum silicate of pigments dispersions: 1 – Red R2В; 2 – Blue MB; 3 – Violet VRE; 4 – Golden yellow К2R; 5 – Orange-red OR; 6 – purple РР4; 7 – Brown BR

Подтверждением полного удаления красителей также служат спектры поглощения раствора над осадком. На рисунке 4 в качестве примера представлены спектры пигментов красного R2В и голубого МВ в день приготовления и через сутки отстаивания. Как видно из рисунка, после отстаивания пигментов с ФТАС в области характеристического пика, определяющего цвет красителя, интенсивность поглощения снижается, полоса поглощения практически исчезает, что говорит о полном извлечении красителя из раствора.

350          450          550          650          750

Длина волны, нм Wave length, nm

Рисунок 4. Спектры поглощения красителей 1 – красного R2В и 2 – голубого МВ «‛» – присутствие в дисперсии порошка ФТАС

Figure 4.The Absorption Spectra of Dye: 1 – Red R2В; 2 – Blue MB«’» – with the presence of fluorinated aluminum silicate.

Заключение

Представленные в работе результаты исследований позволяют говорить о перспективности использования фторированного алюмосиликата при колорировании текстильных материалов пигментами, и новых технологических возможностях в которых будут востребованы как его сорбционная способность, так и каталитическая активность.

Работа выполнена в рамках Государственного задания (проектная часть), проект № 4.1929.2017/4.6