Придание тканям водоотталкивающих свойств

Известно, что природные и искусственные гидратцеллюлозные волокна гидрофильны по своей природе, то есть легко впитывают влагу. Это обусловлено наличием в макромолекулах волокнообразующих полимеров большого числа гидроксильных групп, способных взаимодействовать с водой. При контакте молекулы воды прочно удерживаются в волокне за счёт образования водородных связей.

Тканям из целлюлозных волокон часто требуется сообщить гидрофобные свойства, то есть способность отталкивать воду. Таким требованиям должны удовлетворять технические ткани, предназначенные для различных покрытий, туристического снаряжения, спецодежды, паковочных материалов. Из тканей бытового назначения водоотталкивающими свойствами должны обладать костюмные, плащевые, пальтовые ткани, то есть материалы, часто подвергающиеся воздействию дождя и снега.

При сообщении текстильным материалам гидрофобности одновременно снижается их загрязняемость, облегчается уход, значительно улучшается внешний вид и повышается износостойкость изделий.

Гидрофобной отделке подвергают также шерстяные и некоторые шёлковые ткани (плащевые, зонтичные, портьерные и др.).

Чтобы придать тканям водоотталкивающие свойства, необходимо блокировать гидроксильные группы волокон, предотвратив их взаимодействия с молекулами воды. Этого достигают двумя путями:

1. Нанесением на поверхность ткани сплошной плёнки гидрофобных веществ, вследствие чего капли воды уже не впитываются, а стекают с ткани, не смачивая её. Такую отделку называют водонепроницаемой. Для её реализации используют покрытия из резины, полихлорвинила и др. Однако, сплошная плёнка закрывает поры волокна и делает ткань воздухонепроницаемой, поэтому данный способ имеет ограниченной применение и используется только при изготовлении тканей технического назначения (палаточных, ковровых, брезентов и др.).

2. Блокированием поверхности отдельных волокон и нитей без закупоривания пор материала. При этом ткань сохраняет воздухопроницаемость, а гидрофобные свойства приобретаются за счёт химического взаимодействия препаратов с реакционно-способными группами волокна. Такая отделка называется водоотталкивающей и находит наиболее широкое применение. Её используют при изготовлении тканей бытового назначения с целью достижения комплекса санитарно-гигиенических свойств. При этом ткани сохраняют присущую им фактуру и пористость. Однако в процессе водоотталкивающей отделки не удаётся достичь абсолютной гидрофобности материалов.

При выборе препаратов для водоотталкивающей отделки руководствуются следующими требованиями:

- они должны обеспечивать высокие устойчивые показатели водоупорности ткани;

- быть дешёвыми и удобными в применении;

- придавать тканям не только гидрофобность, но и другие ценные потребительские свойства (повышенную износостойкость, биостойкость, олеофобность).

В современной технологии для придания тканям гидрофобных свойств используют:

– эмульсии восков, содержащие соли алюминия или циркония;

– кремнийорганические соединения (силиконы);

– органические комплексы хрома или алюминия, включающие остатки высших жирных кислот;

– пиридинсодержащие соединения;

– фторсодержащие производные;

– метилольные производные различных соединений, содержащие длинные алкильные цепи.

Любое химическое соединение, применяемое для водоотталкивающей отделки, должно содержать длинные цепи углеводородных радикалов и активные полярные группы, посредством которых гидрофобизатор присоединяется к волокну. Молекулы гидрофобизаторов располагаются на волокне таким образом, что своими гидрофобными частями образуют сплошной заслон, то есть новую гидрофобную поверхность. От того, насколько эта поверхность целостна, зависит степень гидрофобности материала, а от прочности связи с волокном – устойчивость отделки к стиркам, химическим чисткам, старению.

Эмульсии восков и парафинов

Препараты данного типа выпускают под различными торговыми наименованиями (церолы Т, TFS, Z, гидрофоболы ZW и Z 61, парамул 115, импрегнол SP, персистол и др.) По химическому составу они представляют собой дисперсию парафинов, содержащую соль алюминия или циркония и диспергатор для устойчивости эмульсии. Способ их применения состоит в том, что ткань пропитывают при температуре 40–50^оС составом, содержащим 80 г/л эмульсии и 1 г/л уксусной кислоты, и высушивают.

Одежда с гидрофобной отделкой эмульсиями восков характеризуется хорошей носкостью и устойчивостью к действию светопогоды. Препараты дёшевы, не закупоривают поры ткани, следовательно, не оказывают отрицательного влияния на её воздухо- и паропроницаемость, сообщают ей приятный гриф без изменения ранее приданных свойств.

Недостатками являются неустойчивость отделки к химической чистке, не всегда удовлетворительная прочность к стиркам и плохая совместимость препаратов с предконденсатами термореактивных смол и другими веществами, используемыми при заключительной отделке.

Кремнийорганические соединения (силиконы)

В настоящее время для придания гидрофобности широко используются кремнийорганические соединения, выпускаемые под торговой маркой ГКЖ (гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости). Некоторые из них применяются в виде мономерных алкилсиликонатов натрия:

Указанные соединения способны химически взаимодействовать с волокном по реакции

,

превращая его в гидрофобное соединение. Известно, что ткани, обработанные подобными соединениями, почти полностью теряют способность смачиваться водой, не впитывают её и не промокают, сохраняя при этом высокие гигиенические свойства (воздухо- и паропроницаемость). Кроме того, введение силиконов в аппретирующие составы для несминаемой отделки, повышает её эффект за счёт возможной «сшивки» макромолекул целлюлозы. Алкилсиликонаты натрия устойчивы лишь в сильнощелочных средах при рН ≥13. При понижении щёлочности наблюдается образование осадка в виде водонерастворимой гидрофобной плёнки, недостаточно прочно удерживающейся на волокне.

Наиболее широкое применение получили кремнийорганические соединения второго типа – полиалкил-силоксаны и полиалкил-гидро-силоксаны (ГКЖ-94, ГКЖ-94М, ГКЖ-13), общую формулу которых можно представить в виде

,

где R – гидрофобная алкильная группа.

Данные соединения оказывают гидрофобизирующее действие на текстильные материалы либо вследствие химического взаимодействия с волокном, либо за счёт блокирования гидроксильных или других реакционно-способных групп волокон.

Химическое взаимодействие имеет место в случае применения гидроксилоксанов, содержащих подвижные атомы водорода:

.

Блокирование гидроксильных групп целлюлозы за счёт образования водородных связей можно представить схемой

,

где R – вторая алкильная группа или атом водорода.

Видно, что при таком типе взаимодействия алкильные группы образуют сплошной заслон, препятствующий контакту воды с гидроксильными группами волокна.

Данные препараты применяют в виде водных эмульсий в сочетании с эмульгаторами, предконденсатами смол и катализаторами (свинцовый, циркониевый или титановый комплексы с триэтаноламином). Ткань пропитывают указанным составом, высушивают и термообрабатывают при 140 – 170^оС в течение 3 – 5 минут.

Силиконовые препараты сообщают текстильным материалам не только эффект гидрофобности, но также повышают их износоустойчивость, гнилостойкость, улучшают гриф при сохранении прочностных показателей и воздухопроницаемости тканей.

К числу наиболее перспективных и широко используемых гидрофобизирующих веществ относятся метилольные производные некоторых соединений, содержащие длинные алкильные цепи
(аламин М, аламин С (фоботекс ФТЦ)).

Они придают тканям гидрофобность благодаря химическому взаимодействию метилольных групп с гидрофильными группами волокон, а также вследствие блокирования последних за счёт образования в волокне гидрофобного застила из углеводородных цепочек. Ткань пропитывают составом, содержащим аламин С или аламин М, хлорид аммония, уксусную кислоту, высушивают и термообрабатывают в течение 5 минут при температуре 140⁰С. Хлопчатобумажные ткани при этом на 15 – 20% теряют свою прочность на разрыв, а устойчивость к истиранию, напротив, возрастает в
2 – 3 раза.

Из прочих гидрофобизирующих препаратов применение находят хромолан, препараты 246Н и 101, октадецил-этилен-мочевина, фторсодержащие соединения (латексы БФ – 1 и ГФ – 1). Первые три препарата применяют для придания водоотталкивающих свойств шерстяным и шёлковым тканям.

Изготовление швейных изделий из тканей с водоотталкивающими свойствами сопряжено с определенными трудностями. Они проявляются в пропуске влаги швейными нитками и отверстиями, образовавшимися при прорубании ткани швейными иглами. Поэтому изделия из материалов с гидрофобной отделкой требуют использования специальных нитей с водоупорной обработкой и герметизации швов. Описанные выше способы придания водоотталкивающих свойств могут быть распространены и на технологию производства готовых швейных изделий со специальными свойствами.

Противозагрязняемая отделка

Эксплуатация тканей и швейных изделий в быту связана с постепенным их загрязнением. Различают загрязнения сухие, жидкие и газообразные, поэтому в зависимости от природы загрязнений различают четыре вида противозагрязняемой отделки:

1. ГОС–отделка – грязеотталкивающая отделка по отношению к сухому загрязнению (пыль минерального или растительного происхождения).

2. ГОМ-отделка – грязеотталкивающая отделка по отношению к масляным загрязнениям (маслоотталкивающая отделка).

3. ГОВС-отделка – грязеотталкивающая отделка по отношению к загрязнениям водными суспензиями различных минеральных веществ.

4. ГУ-отделка – грязеотталкивающая отделка, облегчающая удаление жировых загрязнений в процессе стирки и химической чистки швейных изделий.

ГОС-отделка предохраняет изделия от загрязнения домашней пылью, сажей, сухой пылью земли, глины, песка. Она предназначена для декоративных, портьерных, гардинных, мебельно-декоративных тканей (чехлы, шезлонги, матрацы, обивочные материалы), а также для пальтовых, плащёвых тканей и тканей для спортивной и специальной одежды. Такой отделке должны подвергаться ткани для верха комнатной обуви.

Из веществ, рекомендуемых для защиты ткани от сухих загрязнений, можно назвать алюмоорганил-силиконаты, например препарат АМСР – 3. Он представляет собой водный раствор метилсиликоната натрия, содержащий алюминий. Технология обработки тканей состоит в её пропитке препаратом (60 г/л) при рН = 6,5 – 7 и обработке при температуре 140 – 150⁰С в течение 3 –4 минут.

Указанные препараты защищают ткань от сухих загрязнений более эффективно, чем некоторые препараты на основе фторсодержащих соединений. Последние обладают одновременно гидрофобными и олеофобными (маслоотталкивающими) свойствами и являются незаменимыми для ГОМ-отделки. Это определяется своеобразием их химического строения. Все водные и неводные загрязнения имеют гораздо большее поверхностное натяжение, чем то, которое характерно для фторсодержащих препаратов. Следовательно, данные соединения придают тканям высокие гидрофобные и олеофобные свойства и надёжно защищают их от водных и масляных загрязнений. ГОМ-отделка предназначена для технических материалов, применяемых при пошиве спецодежды работников нефтеперерабатывающей промышленности и др. Отделка эффективна также для столовых тканей (скатерти, салфетки).

ГОВС-отделка уменьшает загрязняемость тканей различными глинисто-грунтовыми водными суспензиями, а также окрашенными водными растворами. Такой отделке подвергаются ткани, используемые для пошива уличной обуви и спецодежды. Для неё пригодны все препараты, придающие тканям водоотталкивающие свойства.

Грязеудаляющая отделка (ГУ-отделка) предназначена для тканей, используемых для пошива часто стираемых изделий, подвергающихся в процессе эксплуатации жиропотовым и маслосодержащим загрязнениям (сорочки, рубашки, простыни, наволочки, пододеяльники, покрывала, халаты). До настоящего времени ещё не создан препарат, придающий изделию устойчивые грязеотталкивающие свойства в процессе длительной эксплуатации. Наиболее пригодны для ГУ-отделки сополимеры акриловой и метакриловой кислот и различных виниловых мономеров (акрилатов, акриламидов, акрилонитрилов, эфиров малеиновой или фумаровой кислот, стирола, хлорвинила и др.). Грязеотталкивающие свойства сополимера и устойчивость эффекта к стиркам зависят как от содержания в нём акриловой кислоты, так и от свойств мономеров и их соотношения.

Грязеудаляющие и грязеотталкивающие отделки применяются отдельно или совмещаются с другими специальными видами обработок. Необходимость их применения определяется в каждом конкретном случае исходными свойствами применяемого сырья с учётом эксплуатации изделий. Если сырьё (волокно, ткань определённой структуры) и вид препарата для основной отделки (малосминаемая, безусадочная, гидрофобная и др.) обеспечивают необходимые противозагрязняемые свойства, то в специальном виде отделки нет необходимости.

Огнезащитная отделка тканей

Текстильные материалы являются определённым источником опасности во время пожаров, так как способствуют распространению пламени и при горении выделяют большое количество дыма и газов. Поэтому в ведущих странах мира воспламеняемость текстильных материалов регламентируется. Особенно необходима огнезащитная отделка для изделий, используемых в качестве декоративно-обивочных в самолётостроении, судостроении, автомобильной промышленности, а также тканей, предназначенных для пошива обмундирования военных и спецодежды пожарных, сварщиков
и т.д.

Горючими являются все текстильные материалы. Легче всего воспламеняются изделия из целлюлозных волокон, более устойчивы в этом отношении шерстяные ткани. Большинство синтетических волокон при нагревании усаживается и плавится, но после воспламенения горит достаточно интенсивно.

Все способы защиты текстильных изделий от огня основываются на следующих принципах:

- необходимо использовать вещества, которые при температуре горения разлагаются с выделением негорючих газов;

- препараты должны образовывать на поверхности материала негорючие расплавы, защищающие волокно от контакта с кислородом воздуха;

- можно производить химическую модификацию макромолекулы волокна с целью повышения устойчивости полимера к термическому расщеплению.

Вещества, придающие текстильным материалам огнезащитные свойства, называют антипиренами. Самым простым и достаточно универсальным способом сообщения временных огнезащитных свойств является обработка минеральными солями (фосфатами, хлоридами, сульфатами, солями борной кислоты, солями аммония и др.). При этом реализуется одновременно и принцип выделения негорючих газов и принцип образования огнезащитной плёнки. Однако получаемый эффект неустойчив к мокрым обработкам. Повысить стойкость к действию влаги и света можно путём перевода растворимых солей в нерастворимое состояние непосредственно на волокне по реакциям:

Na₂B₄O₇ + MgCl₂ ® MgB₄O₇¯ + 2NaCl;

Na₂SiO₃ + MgCl₂ ® MgSiO₃¯ + 2NaCl.

Описанный способ применим лишь для мебельно-декоративных тканей, не требующих частой стирки.

Придать огнезащитные свойства можно путём осаждения на волокне оксидов металлов (олова, сурьмы, титана), разлагающихся при горении с поглощением большого количества тепла и тем самым снижающих температуру пламени. Данный вид отделки достаточно надёжно защищает изделие от горения, но не предотвращает тления.

К соединениям, которые повышают огнестойкость по третьему принципу (химическая модификация волокна) можно отнести фосфорную кислоту и двухзамещенный фосфат аммония. При взаимодействии с целлюлозой они образуют сложные эфиры, обладающие пониженной способностью к горению. Реакция протекает по схеме:

.

Недостатком способа является потеря прочности материала.

Для огнезащитной отделки шерстяных тканей из неорганических веществ наиболее целесообразно использовать гексафторцирконат калия.

Химическим волокнам огнеупорность можно придать путём введения антипиренов непосредственно в прядильные растворы.

Наиболее устойчивый эффект огнезащитной отделки можно получить за счёт использования хлорированных углеводородов совместно с оксидами некоторых металлов (сурьмы, титана). Оксиды выступают в роли катализаторов разложения хлорированных углеводородов с выделением хлористого водорода, выполняющего роль пламегасителя.

Перспективным способом придания огнезащитных свойств является обработка целлюлозных материалов препаратом отечественного производства, известным под названием ТАФ – триамид фосфорной кислоты. Препарат хорошо растворим в воде и при высоких температурах взаимодействует с гидроксилами целлюлозы с отщеплением аммиака по схеме

Для уменьшения потерь механической прочности препарат ТАФ используют совместно с предконденсатами термореактивных смол, реализуя технологию малосминаемой отделки.

С целью придания огнестойкости применяют также фосфорорганические соединения (препараты ВАР, ТНРС, АРО, пироватекс ЦП и др.). Вступая в химическое взаимодействие с волокном, они позволяют получить огнезащитный эффект, устойчивый к мокрым обработкам и химической чистке.