Подготовка шерстяных тканей

К числу шерстяных относятся ткани, содержащие не менее 20 % шерсти. Наличие шерстяного волокна, его свойства определяют свойства тканей и технологию их подготовки.

Строение шерстяного волокна. Шерсть относится к белковым веществам и является продуктом жизнедеятельности животных. В отличие от одноклеточных хлопковых и элементарных лубяных волокон шерстяное волокно построено из значительного числа клеток. Клетки различного вида образуют каждый из слоев выделяемых в структуре волокна: чешуйчатый, корковый сердцевинный.

Получаемая при стрижке животных шерсть содержит значительное количество примесей, к числу которых относятся: шерстяной воск, жиропот, растительные примеси (репей и др.), песок и грязь. Для освобождения от них исходную шерсть подвергают специальным обработкам (мойка, карбонизация, обеспыливание и др.).

Процесс мойки шерсти регулируют таким образом, что бы оставить на ней некоторое количество шерстяного воска, который обеспечивает волокну необходимые физико-механические и технологические свойства. Кроме того, в процессах обработки шерстяное волокно сорбирует некоторое количество используемых реагентов (щелочей, мыла, кислот).

Основу шерстяного волокна (около 90 % массы) составляет кератин – растворимое фибриллярное белковое соединение, содержащее сульфгидрильные группы.

М

NH₂ – CH – COOH + NH₂ – CH – COOH NH₂ – CH – CО – NH – CH - COOH

R R R R

акромолекула кератина представляет собой остатки различных аминокислот соединенных между собой пептидной связью:

С тепень полимеризации (содержание аминокислотных остатков в полипептидной цепи)  600.

Структура белков. Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы.

Под первичной структурой понимают последовательность в расположении аминокислотных остатков в полипептидных цепях, что наряду с аминокислотным составом является важнейшей характеристикой каждого индивидуального белка.

Под вторичной структурой понимают геометрическую форму (конформацию) свойственную единичной полипептидной цепи ( -спираль, -форма – «складчатый листок»). Вторичная структура стабилизируется за счет водородных связей, возникающих между группами СО – и NH –, расположенными либо на соседних витках спирали (внутримолекулярные связи), либо в соседних макромолекулах (межмолекулярные связи ( -форма)).

Под третичной структурой понимают расположение в производстве составляющих молекулу одной или нескольких полипептидных цепей субъединиц. Стабилизация такой структуры обеспечивается:

1)межмолекулярным не ковалентным взаимодействием между спиральными и -структурированными участками;

2)ковалентными дисульфидными связями, которые образуются за счет сульфгидрильных групп двух остатков цистина R – S – S – R.

Под четвертичной структурой понимают пространственное расположение и взаимосвязь субъединиц (глобулы и фибриллы).

О собенность строения кератина заключается в том, что на отдельных участках полипептидных цепей возникают соответствующие центры, между которыми проявляются силы взаимодействия, приводящие к образованию поперечных связей между соседними цепями. Строение и конфигурация цепей кератина могут претерпевать различные изменения под действием внешних факторов.

Перевести кератин из - в -конформацию можно при воздействии на находящееся под натяжением волокно горячей воды или пара. При этом может быть достигнуто 100% увеличение длины цепи (а также волокна).

В начале такой обработки происходит разрыв поперечных связей структуры кератина. При более длительном воздействии горячей воды или пара на удерживаемое под натяжением волокно остатки аминокислот соединяются в новых сочетаниях и положениях, препятствуя стремлению полипептидных цепей к извиванию и обратному сокращению. В результате мы наблюдаем явление так называемого временного фиксирования, когда волокна шерсти теряют способность сокращаться до исходной длины в не нагретой воде. При действии горячей воды или пара эта способность полностью восстанавливается.

Если действие влаги и нагрева на растянутое волокно прекращается на стадии разрыва поперечных связей (до образования новой системы поперечных связей), то при повторной обработки паром или горячей водой на освобожденное от нагрузки волокно поперечные связи полипептидных цепей не оказывают сдерживающего действия. Цепи переходят в -конформацию и значительно сокращаются в длине  на 30 % по сравнению с исходной. Для таких «сверхсокращенных» цепей характерно отсутствие поперечных связей между главными цепями и значительное развитие складчатости главной цепи.

Если влажно-термическую обработку находящегося под натяжением волокна продлить до 1-2 ч., то повторная обработка паром при снятой нагрузке вызовет лишь незначительное укорачивание волокна.

Переход кератина в так называемое «полностью фиксированное» состояние объясняется тем, что остатки гидролитически разрушенных в начале обработки поперечных связей при увеличении длительности влажно-термической обработки взаимодействуют между собой с образованием новых, более устойчивых связей:

R – S – S – R + H₂O  R – SH + R – SOH

^{цистиновая связь}

R – SOH + R – NH₂  R – SHN – R +H₂O

^{сульфиновая кислота взаимодействует с аминогруппами боковых остатков}

Изменения в строении главных полипептидных цепей и поперечных связей, происходящие при переходе волокна из одной конформации в другую отражаются на внешнем виде волокна и его физико-механических свойствах.

Так для -кератина характерны распрямление, равномерное утонение по всей длине, заметно выраженный блеск, а так же снижение разрывной прочности и удлинения при разрыве с 26 г и 60 % соответственно (для исходного волокна -кератина) до 22 г и 17 %.

Для полностью фиксированного волокна характерны: легкая волнистость, блеск, устойчивое увеличение длины, снижение разрывной прочности и удлинения при разрыве до 18 г и 42 %.

Для сверхсокращенных волокон характерна повышенная извитость, неравномерность по толщине, сокращение длины, снижение прочности и удлинения при разрыве до 19 г и 48 %.

Вода вызывает гидролитическое разрушение шерсти. Степень разрушения зависит от температуры и длительности воздействия. Так в результате кипячения в дистиллированной воде в течение 3,6 и 60 ч. шерсть теряет прочность соответственно на 18, 23 и 74 %. При одинаковой длительности и температуре вода действует более разрушительно, чем пар. При повышенном давлении и высокой температуре разрушение шерсти может быть доведено до полного ее растворения.

В

⁺NH₃ – CH – COO^- + H⁺ + Cl^- ⁺NH₃ – CH – COOH + Cl^-

R

⁺NH₃ – CH – COO^- + Na⁺ + OH^-  NH₂ – CH – COO^- + Na⁺ + H₂O

R R

заимодействие белка с кислотами и щелочами свидетельствует о том, что белки являются амфолитами:

Однако у кератина шерсти и у фиброина шелка преобладают кислотные свойства, поэтому они больше склонны вступать в реакции со щелочами.

К кислотам белковые волокна достаточно устойчивы: обработка растворами разбавленных и даже концентрированных кислот без нагревания не снижают показателей прочности шерстяных волокон. Длительная обработка растворами кислот при повышенной температуре сопровождается заметным разрушением шерсти, за счет разрушения самих связей.

От действия щелочей разрываются не только солевые поперечные связи, но и цистиновые связи. Под действием щелочей происходит частичное растворение шерсти, снижение содержания серы в кератине. Так 4-х часовая обработка в 0,1-м растворе NaOH удаляет 41% серы и вызывает 9% потерю массы образца.

Это объясняется особенностями действия щелочи на цистиновые связи кератина: R – S – S – R  R – SH + HO – S – R

Сульфеновая кислота неустойчива в щелочной среде и распадается, образуя альдегид и сероводород. Таким образом, часть серы выделяется в виде газообразного сероводорода

R – CH₂ – S – OH  R – SOH + H₂S

На пептидную связь щелочь действует следующим образом:

R – CO – NH – R + NaOH  RCOONa + NH₂ - R

Таким образом, щелочи вызывают разрушение цистиновых и пептидных связей, что приводит к значительному разрушению кератина шерсти вплоть до его полного растворения.

Действие разбавленных растворов солей подобно действию воды. Концентрированные растворы при повышенной температуре и длительном воздействии вызывают разрушение кератина, снижение прочности, огрубление волокна.

Восстановители более активно действуют на шерсть в щелочной среде. В начале наблюдается сильное набухание шерсти в поперечном сечении без изменения длины или при ее незначительном уменьшении. Затем может наблюдаться некоторое удлинение волокна, однако после промывки и сушки волокна остаются  на 20 % короче в связи с переходом в сверхсокращенную форму.

Обработка пряжи 1 % раствором бисульфита нaтрия при t = 65 ⁰С приводит к 50 % потере массы волокна уже через 30 мин. Помимо разрыва солевых поперечных связей при такой обработке разрушаются и цистиновые связи. При этом значительно возрастает число сульфгидрильных групп кислотного характера, что приводит к увеличению числа отрицательных зарядов кератина шерсти и соответственно к повышению степени набухания и степени поврежденности.

R – S – S – R + NaHSO₃  R – SH + R – S – SO₃Na

О

O

R – S – S – R  R – S – S – R + H₂O  RSO₃H + RSH

O

кислители действуют так же в первую очередь на цистиновые связи:

По такой схеме реакция идет с Н₂О₂.

Окислители как таковые не снижают прочности шерстяного волокна, но в результате действия щелочи на окисленную шерсть значительно ухудшаются ее физико-механические показатели, снижается масса волокна и содержание серы в нем. Таким образом, растворимость в щелочах может служить критерием оценки степени окисления шерсти и ее сохранности.

П

O = CR– COOH + NH₂Cl + HCl + H₂O

2NH₂ – RCH – COOH + 3HСlO <

NHCl – CRH – COOH + H₂O

ри реакции с гипохлоритом происходит окисление шерсти и образование хлораминокислот:

Х

ClNH – CRH – COOH + H₂O  R – CHO + NH₃ + HCl + CO₂

лораминокислоты затем распадаются по схеме

Выделяющаяся соляная кислота вызывает гидролиз кератина. Поэтому хлорсодержащие окислители очень редко используют в подготовке шерсти и при строжайшем контроле параметров.

Неустойчивость цистиновых связей к действию химических реагентов обусловила необходимость модифицировать исходные цистиновые связи кератина, чтобы повысить их химическую устойчивость.

Для модификации шерсть подвергают сначала действию восстановителя, который вызывает разрыв цистиновых связей по схеме

R – S – S – R + Н₂  R – SH + HS – R

Для такой обработки используют слабые восстановители, которые не затрагивали бы другие участки волокна, например тиогликолевую кислоту

R – S – S – R + 2SH – CH₂ – COOH  2RSH + (S – CH₂ - COOH)₂

Затем на волокно действуют растворами солей двухвалентных металлов по схеме: 2R – SH + Cl₂  R – S - - S – R + 2HCl

Включение позволяет восстановить первоначально разорванную цистиновую связь с одновременным повышением ее химической стойкости.

Чаще всего для восстановления цистиновых связей используют не , а дигалоидные алкилы, например триметилендибромид:

2RSH + (CH₂)₃Br₂  RS – (CH₂) – SR + 2HBr

Модифицированная таким образом шерсть превосходит исходную по устойчивости к действию химических реагентов.

По виду применяемого сырья, способу производства пряжи и технологии отделки различают камвольные (гребенные) и суконные ткани. Суконные ткани в свою очередь делятся на тонкосуконные и грубосуконные.

Технология подготовки гребенных и суконных тканей различаются по набору операций и способу их проведения, поэтому рассматривать их будем в отдельности.

Гребенные или камвольные ткани предназначены для изготовления костюмов и платьев и имеют гладкую, не ворсистую поверхность с рельефным рисунком. Однако при выработке пряжи невозможно избежать наличия свободных кончиков волокон, выступающих на ее поверхности. Ткань, изготовленная из такой пряжи, так же имеет ворс, выступающий над поверхностью.

Стрижкой удаляют кончики, торчащие над переплетением, но из углублений ткацкого рисунка они не удаляются. Поэтому для полной очистки поверхности гребенные ткани подвергаются опаливанию. Исключение составляют ткани, содержащие в своем составе капрон и лавсан, а так же ткани светлых тонов.

Это объясняется тем, что расплавленных синтетических волокон прочно удерживаются на поверхности ткани придают ей жесткость. Кроме того, расплавленная масса окрашивается более интенсивно, чем волокно. Поэтому при большом содержании синтетических волокон целесообразно заменить опаливание многократной стрижкой, или проводить стрижку после опаливания для очистки поверхности ткани от оплавившихся шариков.

Некоторые ткани можно подвергать подготовке без предварительной стрижки и опаливания, но в этом случае необходимо проводить двойную стрижку готовой ткани.

Заварка – следующая операция. Под заваркой понимают процесс обработки ткани в кипящей воде врасправку под натяжением (за исключением платьевых креповых тканей). Заварке подвергают чистошерстяные и полушерстяные гребенные ткани с целью снятия внутренних механических напряжений ткани, полученных в процессе предыдущих механических обработок.

Если проводить обработку тканей до снятия внутренних напряжений, ее линейные размеры будут сокращаться, причем усадка будет неравномерной. Вследствие неоднородности напряжений в волокнах они будут так же неравномерно окрашиваться, так как растянутые волокна окрашиваются интенсивнее нерастянутых.

Механизм действия кипящей воды на растянутое волокно был рассмотрен выше. Следует отметить, что после заварки ткани приобретают повышенную формоустойчивость, повышенную устойчивость к уваливанию и образованию заломов при обработке ткани жгутом. Кроме того, видоизмененный кератин приобретает способность лучше накрашиваться.

Попутно в процессе заварки ткань очищается от водорастворимых загрязнений и частично от шлихтующих препаратов. Оптимальные условия заварки: T = 92-96 ⁰С, ПАВ – 0,3 г/л, нейтральная или слабокислая среда создается за счет СН₃СООН (30 %) - 0,5 г/л, время обработки – 90-110 сек.

Основными показателями количества заварки является: усадка после замочки и кипячения, гриф, капиллярность. Для смешанных тканей дополнительно – коэффициент сминаемости, стойкость к пиллингу.

Следующей операцией является замыливание. Целью этой операции является подготовка ткани к фулеровке (камвольные ткани) и валке (суконные ткани). Осуществляется процесс замыливания путем обработки ткани раствором, содержащем биологически мягкие ТВВ в концентрации 10-11 г/л (для суконных 9-10 г/л). В том случае, если используются замасливающие эмульсии на основе минеральных масел в состав раствора включают 2-5 г/л Na₂CO₃. Продолжительность лежки ткани после замыливания (перед фулеровкой или валкой) не должна превышать 1 час.

Валка – одна из важнейших операций отделки суконных тканей. В процессе валки создаются условия для массового перемещения волокон шерсти друг относительно друга, в результате этого волокна уплотняются, происходит усадка ткани по длине и ширине куска, увеличивается ее поверхностная плотность.

В алкоспособность шерсти определяется такими свойствами волокна как: чешуйчатость, взаимной направленностью волокон (при соприкосновении верхушечных концов волокна не обнаруживают взаимного проникновения), упругие свойства и способность к извиванию.

соприкосаются соприкосаются

верхушечные концы корневые концы

На степень свойлачивания оказывают влияние так же внешние условия проведения процесса валки: температура, интенсивность прилагаемых механических воздействий, и рН среды.

Минимальную усадку приобретает ткань, подвергнутая обработке в условиях приближенных к нейтральным (рН 4-8). Именно при таком рН проводят обработку гребенных тканей.

При переходе в кислую и щелочную зону наблюдается постепенное возрастание усадки, однако при рН > 10 валкоспособность снижается, что объясняется снижением способности волокон к сокращению в сильнощелочной среде.

При повышении температуры до 45⁰С наблюдается возрастание степени усадки, но при дальнейшем повышении температуры снижается способность волокон к сокращению, что приводит к снижению степени усадки.

Таким образом, зная механизм действия температуры и химических реагентов валкоспособность шерсти можно регулировать в соответствии с потребностями производства.

Низкая валкоспособность отдельных видов шерсти может быть повышена в результате обработки окислителями или щелочами. Действие этих реагентов вызывает ослабление чешуйчатого слоя и изменяет его упругие свойства. В результате волокна начинают проявлять склонность к извиванию, что приводит к повышению их валкоспособности.

Снижения валкоспособности добиваются путем снижения температуры, интенсивности механического воздействия, влажности ткани, а так же путем проведения процесса валки в нейтральной среде.

Фулеровка – это легкая валка, при которой ткань лишь несколько уплотняется без образования ворсового застила на поверхности, то есть ткацкий рисунок остается явно выраженным. Фулеровке подвергают костюмные и пальтовые камвольные ткани. Степень усадки камвольных тканей по длине составляет 2-6 %, по ширине 6-20 %. Осуществляется на сухновальных машинах СВ-300Ш, СВФ-500Ш.

Продолжительность обработки 20-60 мин., t = 35-40 ⁰С, влажность 110-115%, среда нейтральная или слабощелочная. В жесткую воду добавляют 0,15 г/л гексаметафосфата нaтрия на каждый градус жесткости. Для тканей шлихтованных составами, содержащими крахмал, в валочный раствор вводят 2 г/л панкреатина.

Суконная ткань приобретает в результате валки прочность, плотность, повышаются ее теплоизолирующие свойства. Во время валки на поверхности ткани создается поверхностный застил, скрывающий рисунок ткацкого переплетения.

Степень увала зависит от типа ткани и задается для каждого артикула отдельно. Усадка суконных тканей по длине колеблется от 7 до 30 % по ширине от 10 до 40 %. Валку ведут на сукновальных машинах СВ-500Ш, СВ-300Ш, СВФ-500Ш1 в кислой или слабощелочной среде с использованием ПАВ, t = 35-40 ⁰С, время 60-330 мин.

Промывка – это очень важная и ответственная операция в процессе подготовки шерстяных тканей.

Целью операции промывки является удаление из шерстяных тканей загрязнений различного рода, остатков природного шерстяного жира и минеральных загрязнений, замасливателей и др. компонентов замасливающих эмульсий, применяемых в прядении, а так же композиций природных продуктов и химических препаратов, наносимых на пряжу в процессе ее подготовки к ткачеству. К загрязнениям, которые удаляются при промывке, относят так же крахмал и продукты его неполного гидролиза, ПВС, полиакриламид, консерванты (салициланилид, кремнефтористый нaтрий), минеральные масла и др.

Для тяжелых и плотных тканей промывка производится иногда до валки, за которой следует повторная промывка для удаления валочного раствора. Те ткани, для которых уплотнение структуры и наличие валочного раствора не создают осложнений при дальнейшей обработке, сначала подвергают валке, а затем промывают. Во время промывки основное внимание уделяют удалению жировых веществ, так как большинство других загрязнений легко удаляются моющим раствором.

Наибольшее распространение получил метод промывки, основанный на омылении и эмульгировании жиров и масел с помощью нaтриевых и триэталонаминовых мыл с добавкой щелочи, а в последнее время с помощью ПАВ. Мыло и моющие препараты обеспечивают быстрое и полное смачивание ТМ. Моющий раствор проникает внутрь структуры ткани, при этом водорастворимые загрязнения переходят в раствор.

Щелочь, содержащаяся в замачивающей жидкости, нейтрализует свободные жирные кислоты, находящиеся на ткани и мыла растворяются.

Жировые вещества переходят в раствор в виде эмульсий, механические нерастворимые примеси переходят в суспензии. Их образованию способствуют механическое воздействие рабочих органов промывной машины и пузырьков СО₂, выделяющихся при испарении углекислых солей Na₂CO₃ и т. д.

Для эффективной промывки необходимо не только перевести загрязнения в раствор в виде коллоидных систем. Необходимо предотвратить ресорбцию загрязнениий на ткань. Основную роль в этом играет моющий препарат, который образует сольватные оболочки вокруг отдельных частиц образующихся эмульсией и суспензией и таким образом повышает их стабильность.

При использовании мыла, для предотвращения его гидролиза, нельзя допускать разбавления моющих растворов и необходимо добавлять щелочной агент (чаще всего соду). В противном случае, поскольку при гидролизе мыла выделяется щелочь и жирные кислоты, а шерсть активнее поглощает щелочь, кислоты могут накапливаться в растворе и частично оседать на ткань, что ведет к неэффективному использованию препаратов и может вызвать пожелтение шерсти.

От качества промывки зависят результаты крашения, гриф ткани, поскольку при промывке не только удаляются загрязнения, но и снимаются внутренние напряжения, возникающие как вследствие кручения пряжи и нитей, так и в процессе ткачества.

Промывка может осуществляться в жгуте (при этом происходит дополнительная механическая проработка ткани с целью придания ей характерного «шерстяного» туше – для гребенных тканей) на машинах ЛПЖ-1Ш и «Текстима».