Глава 2. Загрязнение волокон, тканей, изделий

1. Классификация загрязнений

Все загрязнения можно разделить на три основных класса: 1) нерастворимые ни в воде, ни в органических растворителях (почвенные пигменты, глина, силикаты, цемент, сажа, атмосферные аэрозоли); 2) растворимые в органическом растворителе, но нерастворимые в воде (органические соединения – углеводороды, смазочные масла, асфальт, смолы, краски и лаки, растительные масла и животные жиры, жирные кислоты и др.); 3) растворимые в воде органические и неорганические вещества (сахар, мочевина, органические кислоты, щелочи, белки, соли и др.).

Основной источник нерастворимых загрязнений – воздушная среда. Например, в результате деятельности вулканов, бурь, ураганов, пожаров, землетрясений в воздух поступает 773-2200 Мт/г. частиц радиусом до 20 мкм. Таких же частиц поступает 185-415 Мт/г. в результате деятельности человека, связанной с дроблением, измельчением, градостроительством (снос зданий), помолом зерновых культур, сжиганием топлива и отходов, опылением (борьба с вредителями полей, сорняками), окраской распылением (сборка автомашин, покрытие мебели), работой металлургических и химических производств.

В атмосферу России выбрасывается 64 млн т вредных веществ промышленностью и еще больше – автомобилями; содержание веществ в воздухе промышленных центров превышает санитарные нормы.

Высокий уровень загрязнений воздуха в городах Архангельск, Амурск, Братск, Усть-Илимск, Новодвинск, Магнитогорск, Нижний Тагил, Челябинск, Хабаровск, Москва и др.

Источником нерастворимых загрязнений являются также почва и уличная пыль, образующаяся при износе дорожных покрытий, зданий,

автомобильных шин, обуви и одежды населения, при выделении выхлопных газов автомашин и др. Дисперсный состав уличной пыли, %:

В составе уличной пыли содержится 11-16 % водорастворимых, 6,5-13 % эфирорастворимых веществ, 24-27 % углерода, 51-56 % золы, 40-70 % оксидов кремния, 15-20 % оксидов железа и алюминия, 2,2-8,4 % оксидов кальция, 1,6-2 % оксидов магния. По другим данным, в состав уличной пыли входят следующие компоненты, %: силикаты – 40, неорганические карбонаты – 20, водорастворимые соли – 10, жиры – 10, прочие органические соединения – 10, сажа – 5, вода – 5. В составе комнатной пыли находятся, %: песок, глина – 45, гипс – 5, известняк – 5, влага – 3, белковые и целлюлозные волокна – по 12, смолы, растворимые в этиловом спирте, – 10, жиры, масла, асфальт – 6, неизвестные части – 2.

Источниками загрязнений, растворимых в органическом растворителе, являются продукты питания (жиры и масла), вещества, применяемые в труде и быту (минеральные масла, асфальт, смолы, углеводороды, выделения сальных и потовых желез и др.). Так, в состав выделений потовых и сальных желез входят жирные кислоты насыщенного и ненасыщенного ряда и неомыляемые соединения. Кислоты бывают как в свободном состоянии, так и в виде глицеридов, восков. Жир имеет окраску от светло-желтого до коричневого цвета. Свежий жир имеет больше ненасыщенных жирных кислот, чем застарелый.

Источником загрязнений, растворимых в воде, являются также продукты питания (соль, сахар, глюкоза, фруктоза, органические кислоты и др.), напитки, выделения потовых желез. Так, в состав пота входит 98 % воды, 2 % твердых веществ, содержащих хлорид натрия, фосфаты, сульфаты, органические кислоты, мочевину, холестерин, жир и др.

2. Загрязняемость волокон, тканей и изделий

Загрязняемость – это способность волокон, тканей, изделий поглощать из окружающей среды и удерживать различные по химической природе и физической форме вещества,

Загрязняемость волокон обусловлена химической природой волокна, наличием на его поверхности каналов, чешуек, трещин и других неровностей, в которых удерживаются частицы загрязнений.

Процесс загрязнения волокон состоит из следующих фаз: 1) осаждение частичек пигментов из внешней среды на поверхность волокна; 2) адсорбция загрязнений внешней поверхностью волокна; 3) диффузия загрязнений внутрь волокна; 4) фиксация загрязнений волокнами. Значение каждой из этих фаз различно и зависит от химического свойства волокна и загрязнения. Свойства поверхности волокна определяют специфический характер его загрязняемости: шерсть загрязняется по краям чешуек, хлопок – в углублениях и зазубринах, ацетатные волокна – в каналах и бороздках, синтетические волокна, имеющие гладкую поверхность, удерживают загрязнения в мелких трещинах и щелях. Синтетические волокна накапливают статическое электричество и это является одним из факторов их интенсивного загрязнения.

Пигментные частицы загрязнений отлагаются на волокнах в результате осаждения из потока воздуха или жидкости, улавливания из быстро движущегося воздуха и за счет прямого контакта с загрязненной поверхностью. Так как загрязнение происходит на поверхности раздела двух фаз, с увеличением поверхности увеличивается и количество поглощаемых загрязнений. Чем тоньше волокно, тем больше загрязнений осаждается на поверхности волокна. Так, при изменении тонины волокна с 36 до 23 мкм степень загрязнения возрастала в три раза.

Кожный жир, жир волосяных покровов, несмотря на сродство к химическим волокнам, располагается на их поверхности и проникает внутрь волокна очень медленно, при длительном контакте. Жир способствует не только большему загрязнению волокна, но и более прочному удержанию пигментных загрязнений.

 

Загрязняемость тканей зависит не только от загрязняемое™ волокон, но еще и от структуры нитей и самой ткани. Ткань подобна фильтру, на поверхности которого остается крупные частицы, внутрь проникают более мелкие. Чем плотнее ткань и ровнее ее поверхность, тем меньше Загрязняемость, но загрязнения, попавшие внутрь, удаляются труднее. С увеличением крутки пряжи ее плотность возрастает, возможность проникания загрязнений внутрь нити уменьшается.

Ткани, изготовленные из штапельных волокон, загрязняются сильнее, чем изготовленные из комплексных нитей, но их поверхность представляется более чистой, так как загрязнения проникают внутрь ткани. Особенно много загрязнений поглощают ворсовые ткани.

Загрязняемость изделий зависит от условий носки, а также от способности ткани удерживать загрязнения. При увеличении продолжительности носки одежды масса загрязнений на ней возрастает и степень их закрепления увеличивается. Распределение загрязнений может быть равномерным (занавеси, гардины, ковры, одеяла, пухо-перовые изделия) и неравномерным.

Загрязнения, размещенные равномерно по всему изделию, называют общими, а образовавшие отдельные пятна называют местными. Особенно неравномерно загрязняется одежда. Наибольшее загрязнение одежды происходит в местах контакта ее с кожным покровом: воротник, манжеты рукавов, карманы и застежки. Волокнистая пыль накапливается во внутренних швах и складках изделий.

Общие загрязнения пигментными частицами создаются в результате диффузии частиц размером до 0,1 мкм из воздуха, оседания более крупных частиц (1-2 мкм), улавливания из потока воздуха, электростатического притяжения частиц размером 0,2-0,5 мкм. Улавливание пигментов из потока жидкости имеет место при химической чистке и стирке изделий и воспринимается как их посерение.

Местные загрязнения в виде пятен создаются жидкостями, которые проникают в капилляры волокон, между волокнами и нитями ткани, изменяя степень рассеивания света, окраску ткани и ее оттенок.

Многолетние наблюдения за загрязняемостью одежды показали, что при ее носке в течение 50-100 ч масса загрязнений составляет 0,5-3 % массы изделия. Светлая одежда содержит меньшую массу загрязнений. Спецодежда, как правило, содержит загрязнений до 15% ее массы в зависимости от типа производства, в котором она используется.

Основной результат загрязнения изделий – изменение их свойств: снижение яркости и чистоты окраски, ухудшение гигиенических свойств, появление пятен, неприятного запаха, интенсивное разрушение. Пигментные частицы действуют на изделия как абразивные материалы. Так, при содержании на изделиях 0,5 % почвенных пигментов устойчивость шерстяных тканей к истиранию снижается на 30 %, 3 % – на 60 %. Загрязненные изделия становятся привлекательными для моли и микроорганизмов, так как загрязнения используются ими для жизнедеятельности. В результате может наступить полное разрушение отдельных участков, а одежда потеряет свои потребительские свойства.

Для объяснения загрязняемости изделий предложен ряд теорий, в которых основная роль отводилась электростатическим, химическим и механическим факторам. В действительности имеет место совместное действие всех этих факторов, которые часто усиливают загрязняемость изделий при многократных циклах: носка (загрязнение) – химическая чистка (стирка) изделий.

Силы, удерживающие загрязнения на волокнах, имеют химическую, физическую и механическую природу.

Наиболее прочное связывание загрязнений с волокнами происходит в результате образования ковалентной связи, действующей на расстоянии 0,07-0,2 нм. Энергия связей составляет для групп C-N 223,9 кДж/моль, С-С 262,8 кДж/моль, N-N 113 кДж/моль. Ковалентные связи образуются за счет общей электронной пары. Такие связи образуют ненасыщенные жирные кислоты, эфирные масла, смолы.

Координационные связи отличаются от ковалентных только механизмом образования. Общая электронная пара образуется не путем спаривания электронов, она имеется у одного из соединяющихся атомов (донора). Такие связи могут образовать таннинсодержащие и металлсодержащие вещества (соки, напитки) с волокнистыми материалами.

Ионные связи возникают при загрязнении волокон, имеющих кислотные или основные группы, растворами, содержащими природные красители, ПАВ, кислоты и основания.

Водородные связи действуют на расстоянии 0,24-0,33 нм, их энергия составляет 20,9-41,8 кДж/моль, они возникают между водородом и электроотрицательными атомами (О, Cl, F, N).

Силы Ван-дер-Ваальса действуют на расстоянии 0,3-0,4 нм, их энергия составляет 8,3-12,5 кДж/моль. Они бывают полярными и неполярными (дисперсионные силы).

Жиры и масла удерживаются капиллярными силами, пигментные частицы – сорбционными и электростатическими. По способности к образованию зарядов статического электричества можно составить следующий ряд, в котором волокна, находящиеся слева, заряжаются положительно при контактной электризации в паре с любым волокном, находящимся справа и заряжающимся отрицательно: шерсть, анид, вискозное волокно, хлопок, натуральный шелк, ацетатное волокно, лавсан, нитрон, поливинилхлорид, полиэтилен.

Пигментные частицы загрязнений удерживаются и механически. Чем меньше величина частиц, тем глубже внутрь ткани и пряжи проникают они и тем прочнее удерживаются силами трения и адсорбции. Мельчайшие частицы проникают в дефектные участки поверхности волокон, более крупные располагаются между волокнами, еще более крупные частицы помещаются между нитями основы и утка. Самые большие частицы загрязнений остаются на поверхности ткани и удерживаются выступающими волокнами. Механическое удерживание увеличивается в присутствии жировых веществ на волокнах. Масляная пленка обусловливает адгезию за счет прилипания частиц к зажиренной поверхности, силы адгезии зависят от толщины и вязкости пленки масла.

 

3. Изучение загрязняемости изделий

 

Изучение загрязняемости необходимо для разработки эффективных способов чистки и стирки изделий, разработки композиций усилителей и моющих средств, а также способов защиты изделий от различных загрязнений.

Один из наиболее надежных способов изучения и оценки загрязняемости – проведение опытных носок, в процессе которых за одеждой ведут систематические наблюдения. Степень загрязнения изделий оценивается визуально. Однако этот способ дорог и длителен, поэтому ведется поиск лабораторных способов, имитирующих естественное загрязнение изделий. С этой целью разрабатывают составы загрязнителей, моделирующих естественные загрязнения, способы их нанесения на ткани и оценки.

В качестве компонентов искусственных загрязнений применяют газовую и ламповую сажу, графит, оксид железа, уличную и комнатную пыль, почвенные пигменты, ланолин, растительное и минеральное масло, олеиновую кислоту, остатки из дистилляторов машин химической чистки.

Для нанесения загрязнений используют их дисперсии и эмульсии в водной и органической среде, напыление, печатание тканей дисперсией загрязнителя, обработку образцов совместно со спецодеждой в процессе стирки, обработку совместно с войлочными кубиками, предварительно загрязненными почвенными пигментами, шерстяным жиром, во вращающемся сосуде.

Степень загрязнения в лабораторных условиях оценивается весовым методом, измерением коэффициента отражения света чистых и загрязненных образцов на фотометрах, лейкометре, измерением малых цветовых различий на компараторах цвета.

Весовой метод оценки степени загрязнения не имеет практического значения, так как для заметного на глаз изменения окраски ткани достаточно нанести 0,3-0,5 % загрязнителя (от массы образца), а чтобы определить это количество на ткани, необходимо кондиционирование образцов, что удлиняет (на 48 ч) продолжительность анализа.

Более доступный и простой метод оценки загрязняемости ткани – измерение коэффициента отражения света загрязненного и чистого образцов одной и той же ткани. Но этот показатель лишь относительный, так как не выражает ни количества загрязнений, находящихся на ткани, ни визуальных изменений (состав отраженных лучей в загрязненном и чистом образцах разный).

Результаты измерений коэффициентов отражения света образца можно рассчитать по уравнению Кубелки—Мунка:

К/S =(1-Р)²/(2Р),                                          (4)

где К/S – отношение поглощенного света к отраженному; Р – степень отражения света образцом.

Степень загрязнения представляет собой разность коэффициентов К/S до и после загрязнений:

 

где Р₃, Р_ч– коэффициент отражения света загрязненного и чистого образцов.

Степень загрязнения тканей можно выражать через добавочную оптическую плотность (ДПЗ), получаемую за счет загрязнения:

Ряд исследователей пользуется уравнением Флорио-Мерсерау:

 

где DC_4-3 – степень загрязнения ткани (изменение белизны); DХ, DF, DZ-разница в значениях координат цвета до и после загрязнения ткани.

Д. Жужка использует уравнение

 

Уравнения Кубелки-Мунка и Д. Жужки применяют при оценке загрязненности неокрашенных образцов, Флорио-Мерсерау – любых.

Следует отметить, что визуальная оценка степени загрязнения не всегда совпадает с инструментальной. В производственных условиях принята только визуальная оценка изделий по степени загрязнения.

Были получены следующие значения степени загрязнения DС_4-3 тканей, выработанных из различных волокон, при загрязнении:

Таким образом, по степени загрязнения сухими почвенными загрязнителями ткани можно расположить в следующий возрастающий ряд: ацетатная, полиакрилонитрильная, шерстяная, триацетатная, из вискозного волокна, нейлона, полиэфирная, полипропиленовая. Так как структура тканей одинакова, полученный ряд характеризует свойства волокон.

По загрязняемости шерстяным жиром ткани можно расположить, в следующий возрастающий ряд: шерсть, полиэфирная, полипропиленовая, вискозная, нейлоновая, полиакрилонитрильная, ацетатная, триацетатная. При загрязнении волокон из водной среды было установлено, что гидрофобные волокна (типа лавсана, терилена, полипропилена) поглощают больше жиров, чем гидрофильные (хлопок, медно-аммиачное, ацетатное) волокна (рис. 20). Наблюдается пожелтение нейлона.

 

Рис. 20. Загрязняемость из водной среды волокна:
1 – териленового; 2 – нейлонового 6,6; 3 – капронового; 4 – триацетатного; 5 – медно-аммиачного; 6 – хлопкового

В табл. 20 приведены данные о загрязняемое™ волокон в среде перхлорэтилена, содержащего 0,5 г/л пигментных частиц (А), по 0,5 г/л жира и пигментных частиц (В), по 0,5 г/л жира и пигментных частиц в присутствии 5 г/л усилителя и 0,5 г/л воды (С), по 0,5 г/л жира и пигментных частиц в присутствии 40 г/л усилителя и 4 г/л воды (D). Из таблицы видно, что в среде перхлорэтилена сильнее загрязняется хлопок. Присутствие усилителя и воды способствует снижению загрязняемое™ всех волокон, однако при высоком содержании усилителя и воды загрязняемость вновь возрастает.

Таблица 20

Загрязняемость волокон в среде перхлорэтилена*

* Загрязняемость представлена отношением lg (Р₃,/Р₄)10³.

Рис. 21. Влияние N числа циклов загрязнение-чистка
на степень загрязнения ковров:
1 – из полиакрилонитрильного волокна; 2 – из шерсти

Изучение загрязняемое™ ковровых изделий при многократных циклах загрязнение-чистка (шампунированием) показало преимущество шерстяных ковров перед коврами из полиакрилонитрильного волокна (рис. 21). Перед первым циклом чистки оба вида ковров имели близкую степень загрязнения, но после чистки загрязненность ковров из полиакрилонитрильного волокна по сравнению с шерстяными возросла в 3-4 раза и продолжала увеличиваться с увеличением длительности эксплуатации [26].

Одежда, изготовленная из тканей с водоотталкивающей и проти- возагрязняющей отделкой, способна к большему поглощению сухих почвенных загрязнений (табл. 21).

Таблица 21

Загрязняемость, %, изделий из шерстяных тканей с масло-
и водоотталкивающей отделкой

Изучение влияния электростатических явлений на загрязняемость тканей показало, что большинство частиц загрязнений не обладает зарядами и поэтому не может притягиваться к ткани. Силы трения и другие воздействия могут возбуждать на частицах пыли временные статические заряды. Если такие частицы приблизятся к ткани, они будут притягиваться ею до непосредственного контакта. Как показали результаты исследования образцов белой хлопчатобумажной ткани, предварительно заряженной и незаряженной, помещенных в камеру с загрязненным воздухом на несколько дней, наиболее быстро загрязняются заряженные образцы, особенно положительными зарядами (рис. 22).

Рис. 22. Загрязняемость хлопчатобумажной ткани в зависимости
от величины электростатического заряда

Загрязняемость шерстяных тканей увеличивается с увеличением в них содержания жира. Если при содержании 0,5 % жира загрязняемость ткани сухими почвенными загрязнителями принять за 100 %, то при содержании жира, равном 2,5 %, она составит 157 %.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. К какому классу загрязнений относятся олеиновая и уксусная кислоты?
2. К какому классу загрязнений относятся натриевые соли карбоновых кислот, глицерин, глицериды, высшие жирные кислоты?
3. Назовите приборы, применяемые для определения загрязненности текстильных изделий и оцените их.
4. Какова цель разработки рецептур и способов искусственного загрязнения тканей?