Физико - химические свойства тканей и загрязнений. Моющие средства

   Эффект  отстирывания количественно определяется фотометрическим способом, основанном на сравнении отражательной способности искусственно загрязненного образца материала до и после стирки с отражательной способностью материала до загрязнения. За эталон абсолютно белого тела принята металлическая пластина, покрытая слоем оксида бария. Показатель отстирываемости или моющая способность (О) определяется по формуле Штюпеля:

   На  эффективность процесса стирки оказывают  влияние следующие основные факторы:

   а) физико - химический,

   б) механический,

   в) тепловой,

   г) временной.

   Процесс стирки происходит в водной среде, основной особенностью которой является небольшое  расстояние между молекулами. Молекулы всех компонентов моющего раствора вступают в межмолекулярные контакты, называемые физико - химическим взаимодействием. При физико - химических взаимодействиях происходят фазовые контакты большинства загрязнений с текстильным материалом и раствором и разрушение ранее сформированных адгезионных связей загрязнения с тканью.

   Процесс взаимодействия ткани изделий с  моющим раствором при стирке можно  свести к следующим основным стадиям: положительная адсорбция моющих средств на границе раздела загрязнение - моющий раствор, смачивание ткани  и загрязнений, отделение загрязнений  от волокна, диспергирование и эмульгирование загрязнений в моющем растворе, стабилизация дисперсий [2].

   Физика  процесса положительной адсорбции  заключается в уменьшении поверхностного натяжения на границе раздела  двух сред и проникновении моющего  раствора между тканью и загрязнением. Далее с помощью механического воздействия грязь удаляется с ткани, дробится, а образовавшиеся частицы окружаются гидрофильным адсорбционным слоем ПАВ. Молекулы ПАВ проникают также в микротрещины загрязнений и разрушают их вследствие расклинивающего эффекта тонких адсорбционных слоев. Кроме того, большинство обычных загрязнений при рН > 5 заряжается отрицательно и отталкивается от ткани. В процессе стирки электростатическое поле и гидрофильный слой препятствуют сближению частиц загрязнений и осаждению их на ткань.

   Под смачиванием понимают вытеснение жидкой фазой какой - либо другой фазы из твердого или жидкого тела. Диспергирование - процесс дробления пигментов и удержания их в жидкой фазе. Эмульгирующая способность - возможность образования эмульсии различных жидких сред. Для моющего действия важна только эмульсия масла в воде.

   Под стабилизацией дисперсии понимают свойство системы текстильное волокно - загрязнение - моющее средство предотвращать  повторное осаждение удаленного загрязнения на волокно. Это свойство достигается введением в моющее средство карбоксиметилцеллюлозы. При разработке технологического процесса стирки необходимо учитывать, что активность моющего средства зависит от жесткости воды, свойств ПАВ, вида ткани и других факторов.

   Почти все загрязнения являются гидрофобными, поэтому они не смачиваются водой. Если в воде растворить моющее средство, то ее поверхностное натяжение резко  уменьшится, и раствор смочит загрязнение, заполняя микроскопические поры. Благодаря  этому через молекулы моющего  вещества происходит соединение воды с загрязнением, уменьшение сил сцепления  ткани и загрязнителя.

   Таблица 6.1 - Основные методы создания механического воздействия при стирке

   При последующем механическом воздействии  потоком воды загрязнения переходят  в водный раствор. При этом молекулы моющего вещества образуют прочные  защитные пленки вокруг отмытых загрязнений  и на поверхности волокна, предотвращая повторное осаждение загрязнений  на ткань.

   Перечисленные выше процессы адсорбции, смачивания, диспергирования, эмульгирования, стабилизации дисперсий классифицируются как  физические явления. Истинно химическое взаимодействие в процессе стирки в  бытовых стиральных машинах проявляется  в основном при химическом отбеливании. Для отбеливания белья применяют  два типа препаратов - оптические и  химические.

   Действие  оптических отбеливателей имеет  много общего с действием подсинивающих  препаратов и основано на физическом процессе сорбции препарата на поверхности  ткани. Белые материалы, поглощая часть  лучей коротковолновой области спектра, приобретают желтоватый оттенок. Процесс сорбции оптического отбеливателя происходит за счет межмолекулякулярного взаимодействи его коллоидного раствора с текстильными волокнами. Молекулы отбеливателя обладают голубой флуорисценцией и в сумме с желтым оттенком придают белью белый цвет. В результате компенсируется поглощенная часть видимых лучей, желтоватый оттенок дополняется до белого и за счет повышения белизны ткани проявляется эффект оптического отбеливания.

   При химическом отбеливании вещества отбеливающих препаратов разлагаются в воде с  образованием атомарного кислорода  или хлора. Кислородсодержащие препараты  эффективно разлагаются при температуре 85°С и выше, а хлорсодержащие - при температуре выше 30°С. В атомарном состоянии кислород и хлор проявляют высокую активность. При движении сквозь материал они промотируют разрыв связи загрязнения с волокном и вступают во взаимодействие либо с атомом водорода ОН-группы волокна, либо с одной из групп загрязнения. Взаимодействие произойдет с той группой, с которой О- или Cl- атомы образуют более прочное соединение, характеризующееся большей энергией связи. За счет разрушения прочных адгезионных связей загрязнений с волокном, для разрыва которых недостаточно действия перечисленных выше физических факторов, достигается эффект химического отбеливания.

   Одним из важных компонентов, влияющих на качество процесса стирки, является механический фактор. Роль механического фактора  состоит в интенсификации процессов  массообмена и массопереноса. Основной составляющей механического фактора является гидродинамический эффект, возникающий при прокачивании жидкости через поры материала. Интенсивность гидромеханического воздействия пропорциональна скорости движения жидкого раствора через поры ткани. Положительное влияние силы трения в процессе стирки состоит в усилении деформации решетки ткани, что способствует удалению закрепленных в ней крупных частиц загрязнений.

   Существуют  различные способы создания гидромеханического воздействия в процессе стирки. Основные способы стирки перечислены в  таблице 2.

   Тепловой  фактор оказывает большое влияние  на качество процесса стирки. В начальный  период стирки повышение температуры  раствора в значительной степени  ускоряет процесс коллоидного растворения  моющих веществ в воде.

   В течение всего процесса стирки роль теплового фактора состоит в  повышении общей энергии системы, увеличении скорости движения ионов  и мицелл поверхностно - активных веществ. Это приводит к повышению вероятности  встречи ПАВ с загрязнениями, созданию более благоприятных условий  для измельчения загрязнений, отделенных от ткани. При повышении температуры  раствора происходит набухание волокон  материала, увеличение диаметра межволоконных  капилляров и улучшаются условия  для отделения загрязнений. Действие теплового фактора проявляется  также в снижении вязкости граничного слоя жидкости, поверхностного натяжения  на границах раздела фаз, что приводит к улучшению условий отделения  и диспергирования загрязнений. В целом тепловой фактор оказывает  значительное влияние на эффективность  процесса стирки в бытовых стиральных машинах.

   Технологический процесс стирки протекает во времени, поэтому важное значение имеет правильный выбор продолжительности обработки белья. Роль временного фактора состоит в том, чтобы обеспечить продолжительность каждой операции, необходимую для достаточной реализации действия остальных факторов и обеспечить удаление загрязнений на стадии стирки и синтетических моющих средств при полоскании. При выполнении операций, для которых требуется нагрев раствора, отсчет продолжительности должен начинаться только с момента достижения заданной температуры раствора.

   Процесс полоскания сводится к удалению из ткани остатков растворимых веществ стирального раствора, отдельных частиц загрязнений, оставшихся в ткани.

   Полоскание  является физическим массобменным процессом, основой которого является диффузия под действием градиента концентраций к поверхности раздела фаз между волокном и водой [2]. Скорость процесса диффузии зависит от размера пор ткани, поверхностной плотности ткани. Численные значения коэффициентов диффузии СМС внутри пор ткани на несколько порядков меньше коэффициентов его молекулярной диффузии в воде. Продолжительность процесса полоскания в значительной степени определяется стадией внутренней диффузии компонентов моющего средства.

   Для повышения скорости процесса диффузии в процессе полоскания применяется  механическое воздействие. Роль механического  фактора при полоскании состоит  в переносе СМС из граничного слоя в объем воды. Повышение эффективности  процесса полоскания может быть достигнуто при оптимальном сочетании гидромеханического, теплового и временного факторов. Процесс полоскания в современных  стиральных машинах состоит из нескольких стадий, каждая из которых завершается  промежуточным отжимом белья.

   При неполном удалении компонентов СМС  из ткани изделий могут возникать  раздражения кожи, аллергические  реакции, может ухудшиться товарный вид изделий.

   Отжим влаги из ткани в бытовых стиральных машинах является самой сложной  технологической операцией, определяющей конструкцию машины. Качество процесса отжима характеризуется остаточной влажностью ткани изделий, определяемой по формуле:

    ,          

   где m - масса белья после отжима;

          m₁ - масса сухого белья.

   В среднем 1 кг сухой ткани захватывает 2 - 2,5 кг воды, т.е. остаточная влажность  ткани составляет 200 - 250 %. В процессе отжима степень влажности ткани необходимо довести до 55 - 65 % [1].

   Процесс центробежного отжима можно разделить  на два этапа. Hа первом этапе удаляется влага, находящаяся в основных и уточных переплетениях ткани, а также в промежутках между волокнами. Hа втором этапе удаляется влага, которая удерживалась в ткани за счет сил поверхностного натяжения. После первого этапа центрифугирования влажность ткани составляет 110 - 120 %, после второго - 55 - 65 % [1].

   Исследования  показали, что для обеспечения  остаточной влажности 110 - 120 % частота  вращения барабана должна составлять 350-400 об/мин, а для достижения 55-65 % необходимо увеличить частоту вращения барабана до 1000 об/мин [1]. Для того, чтобы развить такую частоту вращения и обеспечить устойчивость машины необходимо либо значительно увеличить массу машины и применить мягкую систему подвески, либо использовать специальные способы выхода на режим отжима с заданной частотой. Это объясняется тем, что масса влажной ткани распределяется в барабане неравномерно, и при больших значениях частоты вращения возрастает величина центробежной силы, которую необходимо компенсировать.

   Для компенсации возникающей при отжиме центробежной силы предпочтительно использовать специальные способы, например, прерывистый режим. Прерывистый режим - это способ отжима, состоящий из нескольких простых фаз отжима, прерываемых во времени для обеспечения равномерного распределения массы ткани вдоль обечайки барабана. Часто применяют также линейный отжим с плавным линейным повышением частоты вращения и ступенчатый отжим с различным числом ступеней и их уровней. Каждый из видов отжима имеет свои модификации для разных типов тканей.