ZETA POTENCIAL FUNKCIONALNIH TEKSTILNIH MATERIALOV · Gesla: zeta potential, streaming potential,...

77
UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO Urška Modlic ZETA POTENCIAL FUNKCIONALNIH TEKSTILNIH MATERIALOV Diplomska naloga Maribor, april 2009

Transcript of ZETA POTENCIAL FUNKCIONALNIH TEKSTILNIH MATERIALOV · Gesla: zeta potential, streaming potential,...

  • UNIVERZA V MARIBORU

    FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

    Urška Modlic

    ZETA POTENCIAL FUNKCIONALNIH TEKSTILNIH

    MATERIALOV

    Diplomska naloga

    Maribor, april 2009

  • Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

    ZETA POTENCIAL FUNKCIONALNIH TEKSTILNIH MATERIALOV

    Študent: Urška Modlic Študijski program: univerzitetni, Kemijska tehnologija Smer: Biokemijska tehnika Predvideni strokovni naslov: UN dipl. inž. kem. tehnol.

    Mentorica: doc. dr. Aljana Petek Komentorica: izr. prof. dr. Darinka Brodnjak-Vončina dr. Irena Petrinić

    IZJAVA

    Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelal(a) sam(a), prispevki drugih so posebej označeni. Pregledal(a) sem literaturo iz področja diplomskega dela po naslednjih elementih:

    Vir: Web of Science, Science Direct

    Gesla: zeta potential, streaming potential, microcapsules

    Skupine gesel (unija itd.): zeta potential

    Časovno obdobje: od leta 1990 do leta 2007

    Število referenc: 29

    Število prebranih izvlečkov: 25

    Število prebranih člankov: 28

    Število pregledanih knjig: 10

    Maribor, april 2009 podpis študenta(ke)

  • Diplomska naloga

    I

    ZAHVALA

    Zahvaljujem se mentorici doc. dr. Aljani Petek za strokovne nasvete in somentorici dr. Ireni Petrinić za pomoč na vseh nivojih priprave diplomske naloge. Prav tako bi se zahvalila Jasmini Korenak, univ. dipl. ing. kem. teh. in somentorici izr. prof. dr. Darinki Brodnjak Vončina za pomoč pri reševanju ključnih problemov diplomske naloge. Hvala tudi dr. Thomasu Luxbacherju iz podjetja Anton Paar GmbH iz Gradca, izr. prof. dr. Tanji Pušič iz Tekstilno tehnološke fakultete v Zagrebu in Romani Petrovič iz Tovarne Beti d.o.o. iz Metlike za sodelovanje in strokovne nasvete pri izvajanju diplomskega dela. Za veliko spodbudnih besed in finančne podpore se zahvaljujem mojima staršema Slavku in Darinki, ter vsem, ki so kakorkoli pripomogli k nastanku moje diplomske naloge.

  • Diplomska naloga

    II

    ZETA POTENCIAL FUNKCIONALNIH TEKSTILNIH MATERIALOV

    UDK: 677.1.017:544.638(043.2)

    Povzetek

    Elektrokinetične lastnosti opišejo električni potencial v bližini trdne površine, ki se premika

    v tekoči fazi. Opisan je z zeta potencialom. Avstrijsko podjetje Anton Paar GmbH iz Graza

    je razvilo elektrokinetični analizator SurPASS, ki temelji na principu merjenja pretočnega

    potenciala in pretočnega toka za določanje zeta potenciala. V tekstilni industriji so v

    uporabi večnamenske apreture za aplikacijo tehnologije mikrokapsuliranja na tekstilijah,

    katerim lahko izmerimo pretočni potencial, na osnovi tega pa določimo zeta potencial, s

    katerim lahko ovrednotimo lastnosti površin bombažnim in poliamidnim pleteninam.

    Namen diplomskega dela je raziskava vpliva mikrokapsuliranih in apreturnih sredstev

    bombažnih in poliamidnih (PA6,6) vzorcev na zeta potencial (ZP), v odvisnosti od pH

    elektrolita. Ob tem smo proučevali vpliv pralnih ciklov na obstojnost mikrokapsul in

    apreturnih sredstev. Raziskovali smo lastnosti bombažnih pletenin in poliamidnih prej in

    pletenin. Iz rezultatov meritev pretočnega potenciala je razvidno, da je pri bombažnih

    vzorcih po 10 kratnem ciklu pranja zelo povečana hidrofilnost, saj se po pranju spira

    mehčalec in protimikrobni nanos. Pri poliamidnih vzorcih pa se spirajo mikrokapsule prav

    tako po 10 kratnem ciklu pranja.

    Klju čne besede: bombažne pletenine, poliamidne pletenine, zeta potencial, pretočni

    potencial, mikrokapsule.

  • Diplomska naloga

    III

    ZETA POTENTIAL OF FUNCTIONAL TEXTILE MATERIALS

    UDK: 677.1.017:544.638(043.2)

    Abstract:

    Electrokinetic properties describe the electrical potential adjacent to a solid surface, if it is

    moving in the surrounding liquid phase. It is described by zeta potential. Austrian

    company Anton Paar GmbH from Graz has developed the SurPASS elektrokinetic

    analyzer, which is based on a streaming potential/streaming current for determining the

    zeta potential. Many different apertures for application of micro capsulation technology on

    textile materials are used in textile industry. Streaming potential was measured, and on

    the base of it, zeta potential was determined, which is further used for evaluation of cotton

    and polyamide knitted fabrics surface properties. The aim diploma thesis is studying

    influence of microencapsulated and chemical agents of cotton and polyamide (PA 6,6)

    samples on zeta potential (ZP), in correlation with pH of electrolyte. Influence of washing

    cycles on stability of microcapsules and chemical agents was also studied. It is evident

    from streaming potential measurement results, that hydrophilic properties are much higher

    after 10 washing cycles, as during washing softening antibacterial layer is rinsed out. The

    same situation was also established in polyamide samples, where microcapsules were

    also rinsed out after ten washing cycles.

    Key words: cotton knitted fabrics, polyamide knitted fabrics, zeta potential, streaming

    potential, microcapsules.

  • Diplomska naloga

    IV

    KAZALO

    1. UVOD ........................................................................................................................... 1

    2. TEORETIČNI DEL ........................................................................................................ 4

    2.1. Bombaž ..................................................................................................................... 5 2.1.1 Strukturne značilnosti bombaža ......................................................................... 5 2.1.2 Kemijska zgradba celuloze ................................................................................ 5 2.1.3 Molekulska in nadmolekulska struktura celuloznih vlaken .................................. 6

    2.2. Poliamid 6,6 .............................................................................................................. 7 2.2.1 Strukturne značilnosti poliamida 6,6 .................................................................. 7 2.2.2 Kemijska zgradba poliamida 6,6 ........................................................................ 8 2.2.3 Nadmolekulska zgradba poliamida 6,6 .............................................................. 8

    2.3 Vpliv kemijsko-fizikalnih dejavnikov bombaža in poliamida 6,6 .................................. 8 2.3.1 Medmolekulske interakcije v bombažnih in poliamidnih vlaknih ...................... 11 2.3.2 Adsorpcijske lastnosti bombažnih in poliamidnih vlaken .................................. 11 2.3.3 Dolžina bombažnih in poliamidnih vlaken ........................................................ 12 2.3.4 Finost vlaken ................................................................................................... 12

    2.4 Nanotehnologija tekstilnih materialov ...................................................................... 13 2.4.1 Področja uporabe mikrokapsul v tekstilni industriji ........................................... 13 2.4.2 Zgradba mikrokapsule ..................................................................................... 13 2.4.3 Postopki za pripravo mikrokapsul .................................................................... 14 2.4.4 Aplikacije mikrokapsul na tekstilije ................................................................... 15 2.4.5 Apretiranje za zagotovitev protimikrobnih lastnosti .......................................... 16 2.4.6 Mehanizem delovanja protimikrobnih apretur .................................................. 17

    2.5 Elektrokinetični pojavi .............................................................................................. 17 2.6 Električna dvojna plast ............................................................................................ 21 2.7 Določanje pretočnega potenciala ............................................................................ 23 3. EKSPERIMENTALNI DEL ........................................................................................... 28

    3.1. Materiali .................................................................................................................. 28 3.1.1 Vzorci iz bombažnega materiala ...................................................................... 28 3.1.2 Vzorci iz poliamidnega (PA6,6) materiala ........................................................ 32

    3.2. Merilni instrument SurPASS .................................................................................... 34 3.2.1 Aparatura......................................................................................................... 34 3.2.2 Princip delovanja instrumenta SurPASS .......................................................... 34 3.2.3 Potek meritev .................................................................................................. 36 3.2.4 Rezultati in opis meritev na primeru ................................................................. 38

    4. REZULTATI IN DISKUSIJA ......................................................................................... 40

    4.1. Vzorci iz bombažnega materiala.............................................................................. 40 4.2. Vzorci iz poliamidnega (PA6,6) materiala ................................................................ 54 5. ZAKLJUČEK ............................................................................................................... 59

    6 LITERATURA .............................................................................................................. 61

  • Diplomska naloga

    V

    SEZNAM SLIK

    Slika 2 – 1: Klasifikacija vlaken.

    Slika 2 – 2: Mikroskopska slika a.) vzdolžnega videza in b.) prereza bombažnega vlakna.

    Slika 2 – 3: Zgradba celulozne molekule.

    Slika 2 – 4: Amorfna in kristalna področja strukture celuloznih vlaken.

    Slika 2 – 5: Mikroskopska slika a.) vzdolžnega videza in b.) prereza poliamidnega 6,6 vlakna.

    Slika 2 – 6: Prerez mikrokapsule.

    Slika 2 – 7: a.) Nanašanje mikrokapsul na tekstilna vlakna, b.) vgrajevanje mikrokapsul v

    tekstilna vlakna.

    Slika 2 – 8: Apliciranje mikrokapsul na tekstilije.

    Slika 2 – 9: Shematski prikaz eletrokinetičnih pojavov: a) pretočni potencial

    b) sedimentacijski potencial, c) elektroforeza, d) elektroosmoza.

    Slika 2 – 10: Shema Gouy – Chapman – Stern – Grahame (GCSG) modela

    elektrokinetičnega dvojnega sloja.

    Slika 2 – 11: Gouy – Chapman – Stern – Grahame model nabite površine v raztopini

    elektrolita.

    Slika 2 – 12: Shematski prikaz funkcijske odvisnosti zeta potenciala trdnega telesa od pH

    raztopine, kjer je a.) • ionizacija bazičnih skupin, � ionizacija kislih in bazičnih

    skupin, 0 ionizacija kislih skupin, b.) ∆ nepolarna površina brez disociacije

    molekulskih skupin.

    Slika 3 – 1: Elektrokinetični analizator SurPASS.

    Slika 3 – 2: Cirkulacija raztopine elektrolita v instrumentu SurPASS.

    Slika 3 – 3: Shema cilindrične celice za merjenje pretočnega potenciala.

    Slika 3 – 4: Pretok elektrolita v odvisnosti od tlaka.

    Slika 3 – 5: Primer prikaza titracije bombažnega vzorca, meritve zeta potenciala v odvisnosti

    od pH.

    Slika 4 – 1: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za preliminarni bombažni vzorec

    Bombaž_1866_6E9.

    Slika 4 – 2: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za preliminarni bombažni vzorec

    Bombaž_2435_6T5.

    Slika 4 – 3: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za preliminarni bombažni vzorec

    Bombaž_0404_3T8.

  • Diplomska naloga

    VI

    Slika 4 – 4: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za preliminarni bombažni vzorec

    Bombaž_9711_663.

    Slika 4 – 5: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za preliminarni bombažni vzorec

    Bombaž_9711_3M1.

    Slika 4 – 6: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za bombažni vzorec Interlock_obdelan.

    Slika 4 – 7: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za bombažni vzorec Interlock_pobarvan z

    20 g/L hidrofilnega mehčalca in z 5,10 in 15 g/L protimikrobnega nanosa.

    Slika 4 – 8: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za bombažni vzorec

    Interlock_pobarvan_20_5 po ciklih pranja, z 20 g/L hidrofilnega mehčalca in z 5

    g/L protimikrobnega nanosa.

    Slika 4 – 9: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za bombažni vzorec

    Interlock_pobarvan_20_10 po ciklih pranja, z 20 g/L hidrofilnega mehčalca in z 10

    g/L protimikrobnega nanosa.

    Slika 4 – 10: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za bombažni vzorec

    Interlock_pobarvan_20_10B po ciklih pranja, z 20 g/L hidrofilnega mehčalca in z

    10 g/L protimikrobnega nanosa iz tovarne Beti Pletenine, d.o.o.

    Slika 4 – 11: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za bombažni vzorec

    Interlock_pobarvan_20_15 po ciklih pranja, z 20 g/L hidrofilnega mehčalca in z 15

    g/L protimikrobnega nanosa.

    Slika 4 – 12: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za poliamidni vzorec PA6,6_beljen.

    Slika 4 – 13: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za poliamidni vzorec

    PA6,6_mikrokapsuliran z različnimi deleži mikrokapsul.

    Slka 4 – 14: ζ - zeta potencial v odvisnosti od pH za poliamidni vzorec PA6,6_3% z 3%

    mikrokapsulami po ciklih pranja.

  • Diplomska naloga

    VII

    SEZNAM PREGLEDNIC

    Preglednica 2 - 1: Vpliv kemijskih dejavnikov na bombaž in poliamid 6,6.

    Preglednica 2 - 2: Vpliv fizikalnih dejavnikov na bombaž in poliamid 6,6.

    Preglednica 2 - 3: Metode določanja elektrokinetičnega potenciala.

    Preglednica 3 - 1: Seznam preliminarnih vzorcev iz bombažnih pletenin.

    Preglednica 3 - 2: Seznam obdelanih vzorcev bombažnih pletenin Interlock 5353.

    Preglednica 3 - 3: Seznam lastnosti protimikrobno apretiranih bombažnih vzorcev

    Interlock 5353 pred in po pranju.

    Preglednica 3 - 4: Seznam beljenih vzorcev poliamida 6,6 in njihove lastnosti.

    Preglednica 3 - 5: Seznam vzorcev poliamida 6,6 z mikrokapsulami in njihove lastnosti.

    Preglednica 4 - 1: Rezultati meritev preliminarnih vzorcev bombažnih pletenin.

    Preglednica 4 - 2: Rezultati meritev izbranih vzorcev Interlock 5353.

    Preglednica 4 - 3: Rezultati meritev beljenih vzorcev poliamida 6,6.

    Preglednica 4 - 4: Rezultati meritev vzorcev poliamida 6,6 z mikrokapsulami.

  • Diplomska naloga

    VIII

    UPORABLJENE KRATICE

    Kratica Opis kratice

    EFFECTO trgovsko ime tovarne Jadran d.d. iz Zagreba

    F – M Fairbrother – Mastin

    FTIR infrardeča spektroskopija

    GCSG Gouy – Chapman – Stern – Grahame model

    IEP izo električna točka

    IHP notranja Helmholtzova plast

    M mikrokapsuliranje

    OHP zunanja Helmholtzova plast

    PA 6,6 poliamid 6,6

    PCM fazno spremenljivi materiali (ang. phase change materials)

    SEM vrstična elektronska mikroskopija

    SurPASS elektrokinetični analizator (ang. ElectroKinetic Analyzer)

  • Diplomska naloga

    IX

    UPORABLJENI SIMBOLI

    Simbol Veli čina Enota

    A - površina pretočnega kanala (m2)

    maxc koncentracija raztopine KCl pri maksimalnem zeta potencialu (mol/L)

    E - napetostno polje (V)

    F - Faradayeva konstanta (96,495×103) (C/mol)

    R - splošna plinska konstanta (8,314) (J/mol·K)

    ρd - diferencial gostote delcev v tekoči fazi (/)

    dp

    dU - diferencial pretočnega potenciala v odvisnosti od tlaka (/)

    dp

    dI - diferencial pretočnega toka v odvisnosti od tlaka (/)

    dt

    dV - diferencial volumskega toka v odvisnosti od tlaka (/)

    L - dolžina pretočnega kanala (m)

    n - število delcev (/)

    p - tlak (Pa)

    r - polmer (m)

    R - AC zunanji upor merilne celice (Ω)

    L - dolžina pretočnega kanala (m)

    A

    L - koeficient kapilare napolnjen z elektrolizno raztopino (/)

    T - temperatura (K)

    U - uporabljena zunanja napetost (V)

    srU - pretočni potencial (V)

    SdU - sedimentacijski potencial (V)

    ν - hitrost delcev (m/s)

  • Diplomska naloga

    X

    g - gravitacijski pospešek (m/s2)

    Q - prečni prerez površine (m2)

  • Diplomska naloga

    XI

    GRŠKE ČRKE

    Simbol Veli čina Enota

    0ε - influenčna konstanta (C2/J·m)

    ε - dielektrična konstanta elektrolita (C2/J·m) η - dinamična viskoznost raztopine (Pa·s)

    Bκ - specifična električna prevodnost izven merilnega območja (S/m)

    κ - specifična električna prevodnost (S/m)

    1κ prevodnost čiste destilirane vode (µS/cm)

    2κ prevodnost destilirane vode po 15 minutah namakanja vzorca (µS/cm)

    λ - molarna prevodnost (S·m2/mol) µ - specifična hitrost rasti biomase (h-1)

    mµ - maksimalna specifična hitrost rasti biomase (h-1)

    ζ - zeta potencial (V)

    maxζ - maksimalni zeta potencial (V)

    −ΦCl - prosta energija molarne adsorpcije Cl- ionov (J/mol)

    +ΦK - prosta energija molarne adsorpcije K+ ionov (J/mol)

  • Diplomska naloga

    1

    1. UVOD

    Iz tehnološkega napredka izhajajoče novosti predstavljajo najboljše strategije za uspeh v

    tekstilni industriji. Današnja tekstilna industrija zahteva dodatne raziskave na področju

    funkcionalnih materialov z namenom čim boljših končnih uporabnih lastnosti teh

    materialov. Napredek znanosti polimerov se razvija predvsem na nano področju.

    Mikroinkapsulacija, ki je komercialno uspešna tehnologija se veliko uporablja tudi za

    razvoj funkcionalnih materialov. Kljub napredku na področju mikroinkapsulacije tekstilij se

    pojavlja potreba po hitri zanesljivi metodi, ki bi bila zmožna zaznati adsorpcijo mikrokapsul

    in njihovo spiranje med pranjem. Uporaba nanotehnologije v proizvodnji tekstilnih

    materialov temelji na enkapsulaciji nanodelcev oz. nanoproduktov, poznanih kot

    mikrokapsule [1]. Mikrokapsule so mikronski delci, sestavljeni iz tekočega, trdnega ali

    plinastega jedra in zaščitne stene (ovojnice). Mikrokapsuliranje je postopek obdajanja

    jedrnega materiala z ovojnico, ki nam omogoča nadzorovan vnos in sproščanje aktivne

    substance. V tekstilni industriji so v uporabi večnamenske apreture za aplikacijo

    tehnologije mikrokapsuliranja na tekstilijah, ki jim izmerimo zeta potencial, na osnovi

    katerega se potem določijo elektrokinetične lastnosti.

    Namen diplomskega dela je raziskovanje vpliva mikrokapsuliranih in apreturnih sredstev

    bombažnih in poliamidnih (PA 6,6) vzorcev na zeta potencial (ZP), kot funkcijo pH

    elektrolita. Ob tem smo študirali vpliv pralnih ciklov na obstojnost mikrokapsul in

    apreturnih sredstev z merjenjem zeta potenciala. Zeta potencial oz. elektrokinetični

    potencial je eksperimentalno dostopna veličina, ki se nanaša na spremembo potenciala

    na strižni površini med premikajočim in mirujočim delom difuzne dvojne plasti. Z

    merjenjem zeta potenciala spremljamo spremembe površinskega naboja. Podatki o

    površinskem naboju nam dajejo informacijo o stanju, kvaliteti in lastnostih površine

    makroskopskega telesa v polarnem mediju oz. na aktivni površini trdno-tekoče.

    V diplomski nalogi smo uporabili vzorce iz bombažnega materiala iz Tovarne Beti

    Pletenine d.o.o. iz Metlike in vzorce iz poliamidnega (PA 6,6) materiala, ki nam jih je

    priskrbela Tovarna hlačnih nogavic Jadran d.d. iz Zagreba. Meritve vzorcev so bile

    izvedene na merilnem instrumentu SurPASS, proizvajalca Anton Paar GmbH iz Gradca

    (Avstrija). Enostavna priprava vzorca in hitra uporabnost izmerjenih rezultatov je prednost

    merjenja pretočnega potenciala proti standardnim metodam (kromatografija in infrardeča

  • Diplomska naloga

    2

    spektrometrija, SEM (vrstična elektronska mikroskopija)) za zaznavo prisotnosti in

    aktivnosti mikrokapsul. Tovarna Beti sodi med največje slovenske proizvajalce naravnih in

    umetnih vlaken. Proizvodnja je odvisna od kvalitete surovih bombažnih vlaken, kar ima

    močan vpliv na kvaliteto končnega produkta (pletenine). Bombaž nizke kvalitete zahteva

    ponovitev različnih proizvodnih stopenj, kar ima za posledico povečanje proizvodnih

    stroškov. V prihodnje se bo tovarna Beti soočala s povečanimi zahtevami kupcev po

    protibakterijski zaščiti tekstilnih materialov. Uporaba bakterijskih in pomožnih sredstev

    glede na navodila dobaviteljev skoraj podvoji proizvodno ceno. Zmanjšanje količine teh

    kemikalij bi zagotovilo sprejemljivo ceno končnega produkta pri nespremenjenem

    protibakterijskem efektu. Tovarna Jadran d.d. ima izpopolnjeno tehniko mikroinkapsulacije

    pri proizvodnji poliamida za ženske hlačne nogavice, pod trgovskim imenom EFFECTO.

    Te mikrokapsule vsebujejo različne sestavine (vlažilna krema, aloe vera, vitamin E), ki

    imajo kontrolirano odpuščanje med uporabo. Visoke koncentracije teh mikrokapsuliranih

    spojin, ki se uporabljajo v proizvodnem procesu, povzročajo sedimentacijo v končni kopeli

    in neenakomerno porazdelitev na površini materialov. Visoka cena mikrokapsul zahteva

    optimizacijo uporabljene koncentracije, da dosežemo sprejemljive cene produktov.

    Optimizacijo mikroinkapsuliranega procesa in izboljšanje kvalitete hlačnih nogavic iz

    poliamida bomo izvedli z uporabo metode pretočnega potenciala. Metodo bomo uporabili

    za kontrolo vsebnosti ostanka mikrokapsul po večkratnih ciklih pranja.

    Za bombažne vzorce smo uporabili pletenine, ki smo jih razvrstili na preliminarne. Izmed

    teh smo izbrali vzorce artikla Interlock, ki je bil v času našega merjenja v fazi obdelave v

    Tekstilno tehnološki fakulteti v Zagrebu, na Zavodu za tekstilno - kemijsko tehnologijo in

    ekologijo. Interlockovi vzorci so bili protimikrobno obdelani in večkrat oprani. Pri vzorcih

    poliamida 6,6, ki so bili beljeni, smo med sabo primerjali preje in pletenine. Slednji so bili

    še obdelani z mikrokapsulami in večkrat oprani.

    Če povzamemo, bombažne vzorce in vzorce poliamida 6,6 smo razdelili po skupinah:

    • preliminarni vzorci bombažnih pletenin,

    • vzorci Interlock 5353 obdelanih bombažnih pletenin,

    • vzorci Interlock 5353 protimikrobno apretiranih pletenin pred in po pranju,

    • beljen poliamid 6,6 dveh finosti (70 in 20 dtex) in

    • mikrokapsulirani poliamid 6,6.

    Diplomsko delo je sestavljeno iz šest glavnih poglavij. Osrednji del diplomskega dela

    predstavlja uvod, sledi mu teoretični del z opisom materiala potrebnega za

    eksperimentalni del, kjer so omenjene značilnosti in podrobnosti dela uporabljenih metod

    in materialov. V razdelku rezultati in diskusija so opisani teoretični in eksperimentalni

  • Diplomska naloga

    3

    rezultati, razložen in ovrednoten je njihov pomen. Sledi zaključek z objektivno oceno

    rezultatov in literatura kot zadnje šesto, izmed glavnih del diplomskega dela.

  • Diplomska naloga

    4

    2. TEORETIČNI DEL

    Glede na izvor ločimo naravna in kemična vlakna, kar prikazuje slika 2 - 1. Naravna

    vlakna razdelimo na rastlinska vlakna kot so bombaž, konoplja ter lan in živalska vlakna

    kot so volna ali perje. Kemična vlakna temeljijo na naravnih polimerih, kamor spadajo

    celulozni acetat ali celulozni regenerat in na sintetičnih polimerih, ki jih razdelimo na

    polikondenzacijska in poliadicijska vlakna. Značilen predstavnik polikondenzacijskih

    vlaken je poliamid (PA) ter razna poliesterska vlakna. Med poliadicijska vlakna spadajo

    polietilen, poliakril in drugi.

    Slika 2 - 1: Klasifikacija vlaken [24].

  • Diplomska naloga

    5

    2.1. Bombaž

    Bombaž je naravno vlakno. Pred pet tisoč leti so ga odkrili v Indiji, od koder se je razširil

    na Bližnji vzhod, v srednjo Azijo in na Kitajsko. V drugem stoletju so ga pričeli gojiti v

    Evropi.

    Bombaž je sestavljen iz celuloze (94 %), proteinov (1,3 %), pepela (1,2 %), pektinskih

    snovi (0,9 %), pigmentov (0,9 %), maleinske, citronske in drugih organskih kislin (0,8 %),

    voska (0,6 %) in sladkorjev (0,3 %) [25].

    2.1.1 Strukturne zna čilnosti bombaža

    Zdrava bombažna vlakna imajo pod mikroskopom vidne zavoje po dolžini. Pri boljših

    kakovostnih vrstah je število zavojev večje. Prečni prerez vlakna je fižolaste oblike, z

    lumnom na sredini (Slika 2 - 2) [26].

    a.) b.)

    Slika 2 - 2: Mikroskopska slika a.) vzdolžnega videza in b.) prereza bombažnega vlakna

    [27].

    2.1.2 Kemijska zgradba celuloze

    Celuloza je temeljni gradnik bombaža in sodi med polietre, za katere je značilna eterna

    vez. Je ogljikov hidrat iz skupine polisaharidov [25].

  • Diplomska naloga

    6

    n

    celuloza

    + (n-1) H2OO

    OH OH–

    H

    HHH

    H

    H

    H

    OHH

    OHOH

    CH2OH

    CH2OH

    OH

    OH

    OH

    n

    celuloza

    + (n-1) H2OO

    OH OH–

    H

    HHH

    H

    H

    H

    OHH

    OHOH

    CH2OH

    CH2OH

    OH

    OH

    OH

    Slika 2 -3: Zgradba celulozne molekule [24].

    Dve molekuli β ( ) CHOCHOHOHCH 42 se kondenzirata v celobiozo, ki je osnovni gradbeni element celuloznih vlaken. Če močno nabrekla celulozna vlakna stisnemo in jih

    opazujemo z mikroskopom pri primerni povečavi, vidimo, da razpadejo v tanka vlakenca-

    snopiče fibrilov ali makrofibrilov, ki imajo premer od 100 nm do 200 nm. Fibrili so pri

    vlaknih splošen morfološki pojav in se tvorijo takrat, ko se makromolekule združujejo v

    makromolekulsko mrežo. Vzdolž makrofibrila se izmenjujejo kristalna in amorfna področja

    (Slika 2 - 4).

    Slika 2 - 4: Amorfna in kristalna področja strukture celuloznih vlaken [27].

    2.1.3 Molekulska in nadmolekulska struktura celuloz nih vlaken

    Molekulska in nadmolekulska struktura vlaken določata lastnosti vlaken. Polimeri z ozko

    porazdelitvijo in relativno visoko povprečno molekulsko maso dajo vlakna dobrih

    mehanskih lastnosti, predvsem visoke trdnosti [25].

    Kristaliničnost oz. amorfnost, orientacija ter izravnanost makromolekul v vlaknih so

    najpomembnejše sturukturne karakteristike, ki vplivajo na lastnosti vlaken. Pri naravnih

    vlaknih so manjša odstopanja v kristaliničnosti posameznih vlaken posledica značilnosti

    rasti vlaken. Vlakna so orientirana in anizotropna, kar pomeni, da imajo drugačne lastnosti

    v vzdolžni smeri (v smeri osi vlakna) kot v prečni smeri (pravokotno glede na os vlakna).

    Bombaž je v primerjavi s kemičnimi vlakni (industrijsko izdelana vlakna iz naravnih

    surovin) manj orientiran ter manj trden, vendar bolj raztegljiv. Orientacija vlaken vpliva na

  • Diplomska naloga

    7

    anizotropnost in na številne lastnosti vlaken kot so natezna trdnost, raztezek, modul

    elastičnosti, nabrekanje in krčenje, dvolomnost in hitrost širjenja zvočnega valovanja.

    2.2. Poliamid 6,6

    Poliamid 6,6 (nylon) je sintetično vlakno in je poznan od leta 1935, ko ga je ameriški

    znanstvenik W.H. Carothers sintetično izdelal [25].

    Poliamidi spadajo med polikondenzacijska vlakna. Vse poliamidne vlaknine so po kemični

    sestavi podobne polipeptidnim vlaknom, ker imajo v svojih molekulah peptidno vez

    −−− NHCO in ker imajo končne 2NH− in COOH− skupine.

    Poliamide delimo na:

    • alifatske poliamide; predstavnika sta aminokislinski tip (PA 6) in diamin oz.

    dikislinski tip (PA 6,6) in

    � aromatske poliamide.

    2.2.1 Strukturne zna čilnosti poliamida 6,6

    Na površini so vlakna brez posebnih morfoloških značilnosti, enakomerno debela, viden je

    pigment. Prerez je krožen ali različno oblikovan, z jasnimi obrisi (Slika 2 - 5) [28].

    a.) b.)

    Slika 2 - 5: Mikroskopska slika a.) vzdolžnega videza in b.) prereza poliamidnega 6,6

    vlakna [27].

  • Diplomska naloga

    8

    2.2.2 Kemijska zgradba poliamida 6,6

    Ime PA 6,6 pomeni, da je poliamid sintetiziran iz dveh spojin, od katerih ima vsaka 6

    ogljikovih atomov. Ti dve spojini sta adipinska kislina ( ) COOHCHHOOC −− 42 in heksametilendiamin ( ) 2622 NHCHNH −− .

    ( ) ( )[ ] ( ) OHnOHCOCHNHCOCHHNHn 24262

    1−+ (2.1)

    PA 6,6

    2.2.3 Nadmolekulska zgradba poliamida 6,6

    Poleg kemične sestave, velikosti molekul in polimolekularnosti ima na lastnosti vsakega

    polimernega materiala velik vpliv nadmolekulska struktura. Ureditev v nadmolekulsko

    strukturo pri danih pogojih je odvisna od oblike ter strukture polimernih molekul in od

    njihovih lastnosti. Stanja urejenosti makromolekul v polimeru so lahko zelo različna. Mejni

    stanji urejenosti sta kristalinično in amorfno. Glede na način urejanja molekul v višje

    strukturne gradnike so pomembne lastnosti molekul, predvsem njihova gibkost oz. togost.

    Togost povečujejo, podobno kot vplivajo na geometrijsko obliko, velike stranske skupine,

    nenasičene vezi, aromatski in heterociklični deli molekul in zamreženost. Makromolekule

    se med seboj in znotraj sebe privlačijo z različno močnimi silami, medmolekulskimi

    interakcijami. Te so odvisne od kemične sestave, to je od prisotnosti ali odsotnosti

    polarnih skupin. Energijsko močne interakcije so vodikove vezi, permanentne interakcije

    med dipoli, šibke interakcije pa so van der Waalsove sile, ki nastajajo v nepolarnih

    polimerih zaradi premika elektronskih oblakov. Močnejši privlaki pospešujejo hitrost

    kristalizacije in povečujejo delež urejenih molekul. Nosilec kemičnih lastnosti polimerov

    (vezanje vlage, nabrekljivost, topnost, gorljivost, obstojnost v kemikalijah,…) je vedno

    njihova kemična sestava. Nadmolekulska ureditev ima na kemijske procese predvsem

    časovni vpliv. Fizikalne, predvsem mehanske lastnosti, se pri danem polimeru lahko

    spreminjajo s spreminjanjem molekulske mase in nadmolekulske strukture, to je s stopnjo

    kristaliničnosti, vrsto, stabilnostjo in popolnostjo kristalinične strukture, orientacijo in

    medsebojno povezanostjo z veznimi molekulami [25].

    2.3 Vpliv kemijsko-fizikalnih dejavnikov bombaža in poliamida 6,6

    Številni kemijski (toplota, svetloba, voda in vodna para, alkalije in kisline) in fizikalni

    (trdnost, pretržna trdnost, relativna pretržna trdnost v mokrem, modul elastičnosti, gostota

  • Diplomska naloga

    9

    in higroskopičnost) dejavniki podeljujejo bombažu in poliamidnim 6,6 vlaknom različnost in

    specifičnost v obnašanju.

    Preglednica 2.1: Vpliv kemijskih dejavnikov na bombaž in poliamid 6,6 [25].

    Kemijski

    dejavniki BOMBAŽ POLIAMID

    TOPLOTA

    Več ur pri 120°C povzro či

    porumenitev bombaža

    Več ur pri 150°C povzro či razgradnjo

    bombaža

    Po nekaj minutah pri 240 °C se zelo

    močno poškoduje

    Nizke temperature- PA 6,6 ohrani

    lastnosti

    Visoke temperature- odporen do

    150°C

    SVETLOBA

    Beli bombažni izdelki na soncu

    porumenijo

    Nastanek oksiceluloz, fotoceluloz

    Vpliv neposredne sončne

    svetlobe se kaže v znižanju

    trdnosti, znižanju molekulske

    mase, povečanju kristaliničnosti,

    povečanju modula elastičnosti

    Izboljšanje svetlobne obstojnosti

    ob raznih dodatkih

    VODA IN

    VODNA PARA

    Pri 95 % rel.zr.vlagi se navzame

    15 % vode

    Pri 100 % re.zr.vlagi se navzame

    25 % vode

    V vodni pari postanejo vlakna

    plastična

    V mokrem rahlo nabreka, premer

    se poveča za 6,7 %

    ALKALIJE

    Odpornost bombaža proti OH- ionom

    Vpliv O2 iz zraka vodi do nastanka

    oksiceluloze

    Zelo odporna,

    kuhanje v raztopini NaOH brez

    poškodb

    KISLINE

    Občutljivost bombaža proti H+ ionom,

    hladne koncentrirane in tople

    razredčene mineralne kisline

    povzročijo poškodbe bombaža

    Raztapljanje PA 6,6 vlaken v

    hladnem v koncentriranih

    42SOH ,

    HCl in HCOOH kislinah

    Vlažen bombaž ni občutljiv pri višjih temperaturah, suh bombaž pa se pri višjih

    temperaturah postopoma razkraja. Pri 100°C odda 6-8 % OH 2 , med 100 in 120°C še 0,5

    % OH 2 . Pri temperaturi nad 120°C po časi porumeni.

  • Diplomska naloga

    10

    PA 6,6 ohrani lastnosti pri zelo nizkih temperaturah, celo malo se mu povečata trdnost in

    modul elastičnosti. S povišanjem temperature do 150 °C ne pride do poslabšanja trdnosti.

    Ob dodatku 2O pa pride do pojava porumenitve.

    UV žarki povzročajo pri dolgotrajnem delovanju na belih bombažnih izdelkih porumenitev,

    torej do nastanka oksiceluloz oz. fotoceluloz.

    Neposredna sončna svetloba pod vplivom zračnega kisika povzroča degradacijo PA

    vlaken, ki se pokaže v znižanju trdnosti in znižanju molekulske mase, povečanju

    kristaliničnosti in povečanju modula elastičnosti. Izboljšanje svetlobne obstojnosti

    dosegajo z dodatki manganovega acetata, sulfata, fosfata ali hipofosfita [25].

    Surovi bombaž je zaradi prisotnih voskov težko omočljiv, po pranju pa zelo navzema

    vodo. V vodni pari postanejo bombažna vlakna plastična in se dajo oblikovati.

    PA 6,6 v mokrem rahlo nabreka, dolžina vlaken se spremeni za 6,7 %.

    Proti hidroksilnim ionom je bombaž odporen. V lužnatih raztopinah močneje nabrekne kot

    v čisti vodi. Pri istočasnem vplivu 2O iz zraka lahko pride do poškodb oz. do nastanka

    oksiceluloze.

    PA 6,6 vlakna so zelo odporna, saj jih lahko kuhamo v raztopini NaOH brez poškodb.

    Bombaž je občutljiv na kisline. Razredčene hladne raztopine mineralnih kislin ne

    poškodujejo bombaža, medtem ko hladne koncentrirane in tople razredčene mineralne

    kisline močno poškodujejo bombaž.

    PA 6,6 vlakna se v koncentriranih kislinah raztapljajo že v hladnem.

  • Diplomska naloga

    11

    Preglednica 2 - 2: Vpliv fizikalnih dejavnikov na bombaž in poliamid 6,6 [25].

    Fizikalni dejavnik i BOMBAŽ POLIAMID

    TRDNOST (*cN/tex) Suho: 33-63

    Mokro: 30-49

    Suho: 40-80

    Mokro: 35-70

    PRETRŽNA TRDNOST

    (cN/tex) 27-45 35-40

    RELATIVNA PRETRŽNA

    TRDNOST V MOKREM (%) 100-113 85-90

    MODUL ELASTIČNOSTI

    (cN/dtex) 39-73 80-90

    GOSTOTA (g/cm3) 1,50 1,14

    HIGROSKOPIČNOST (%) 7,5-9 4-4,5

    Kjer je:

    � N/tex osnovna enota za specifično pretržno napetost.

    (*cN/tex)=(centiNewton/teks).

    Bombaž je dokaj trdno vlakno. Čeprav je trdnost vezi v celulozni molekuli osnova trdnosti

    vlakna, vplivajo na trdnost bombaža tudi drugi faktorji: zrelost vlaken, število

    medmolekulskih interakcij, kristaliničnost, stopnja orientacije in stopnja polimerizacije.

    Zaradi visokega modula elastičnosti bombažno vlakno togo pade in »stoji stran« od

    telesa.

    V primerjavi s sintetičnimi tekstilnimi vlakni ima bombaž visoko gostoto.

    Pri standardni atmosferi sprejme bombaž 7,5 do 9 % vlage, medtem ko je higroskopičnost

    za poliamid 6,6 normalne trdnosti okrog 4 % [25].

    2.3.1 Medmolekulske interakcije v bombažnih in pol iamidnih vlaknih

    Naravna celuloza je v večini topil netopna, čeprav vsebuje hidroksilne skupine, ki

    makromolekuli podelijo vodotopnost. Vzrok za to so številne vodikove vezi, ki povezujejo

    celulozne molekule v prečni smeri. Vodikove vezi ovirajo prodiranje topil v notranjost trdne

    snovi. Makromolekula celuloze je toga zaradi vsebnosti šestčlenskih glukozinih obročev,

    ki so med seboj povezani s kisikovim mostom in vodikovimi vezmi.

    2.3.2 Adsorpcijske lastnosti bombažnih in poliamidn ih vlaken

    Adsorpcija je vezanje plinastih ali raztopljenih snovi na površini trdne snovi kot posledica

    molekulskih sil.

  • Diplomska naloga

    12

    Vlakna, ki vežejo malo vode, predvsem površinsko z adsorpcijo, so hidrofobna vlakna.

    Vlakna, ki dobro vežejo vodo, so hidrofilna vlakna, ker imajo zelo veliko polarnih

    funkcionalnih skupin. Takšna so predvsem bombažna, beljakovinska, poliamidna in

    polivinilalkoholna vlakna. Bombažna vlakna vsebujejo veliko število OH- skupin, preko

    katerih se celulozne molekule obdajo z molekulami vode in se hidratizirajo. Velik vpliv na

    adsorpcijo poliamidnih vlaken ima ionski značaj. V prisotnosti vode in v odvisnosti od pH v

    vlaknu, se prisotne amino in karboksilne skupine ionizirajo. Dejanska koncentracija štirih

    možnih disociacijskih oblik v vlaknu ( )−+ −−−− COOPACOOHPANHPANHPA ;;; 32 po potopitvi poliamidnih vlaken je odvisna od koncentracije razpoložljivih amino in

    karboksilnih skupin in od pH vode.

    2.3.3 Dolžina bombažnih in poliamidnih vlaken

    Dolžina bombažnih vlaken se razlikuje glede na vrsto:

    • dolgovlaknati (do 50 mm),

    • srednjevlaknati (25-35 mm) in

    • kratkovlaknati (manj kot 25 mm).

    Glede na dolžino delimo poliamidna vlakna na:

    • vlakna določene, kratke dolžine in

    • vlakna brezkončne dolžine.

    Dolžina poliamidnih vlaken kratkih dolžin je v mejah od 10 mm do 4000 mm. Ta vlakna s

    predenjem predelamo v predene preje, zato jih imenujemo predivo. Vlakna brezkončne

    dolžine so dolžine nekaj 100 m do več 1000 m. Predenje ni potrebno, zato se taka vlakna

    imenujejo elementarne niti. Kemične brezkončne niti se imenujejo filamentne preje.

    Vsa naravna vlakna razen svile so vlakna omejene dolžine (predivo). Vsa kemična vlakna

    lahko izdelamo v obliki filamentnih prej ali jih narežemo v vlakna omejene dolžine –

    predivo.

    Kemične filamentne preje so:

    • enojne (enonitne), tj. monofilamentne preje (žice) ali

    • večnitne, tj. multifilamentne preje.

    Posamezno nit v multifilamentni preji imenujemo filament ali fibril.

    2.3.4 Finost vlaken

    Finost je lastnost vlaken, ki jo izražamo z razmerjem med maso in dolžino vlakna [26].

    Bombaž spada med finejša vlakna. Finost lahko izražamo na več načinov:

  • Diplomska naloga

    13

    • osnovna enota tex (teks) nam pove, kolikšna je masa vlaken ali niti dolžine 1000

    metrov v gramih (g/1000 m) in

    • enota dtex (decitex) pomeni desetino teksa in izraža maso 1000 metrov vlaken v

    dekagramih (dag/1000 m).

    2.4 Nanotehnologija tekstilnih materialov

    Nanotehnologija je prioritetno raziskovalno področje znanstvenikov in inženirjev v

    razvitem svetu. Tovrstne raziskave v tekstilu so relativno novo področje, ki se močno

    razvija. Razvijanje in uporaba znanja s področja znanosti o površinah in površinskem

    inženiringu na molekularnem in atomskem nivoju je danes nujnost za bodoči razvoj

    multifunkcionalnih tekstilnih materialov. Poznavanje površinskih lastnosti tekstilnih

    materialov oz. njihove dostopne mejne površine (merilo reaktivnosti in ionsko

    izmenjevalne kapacitete) je izrednega pomena za uspešen potek plemenitilnih tehnoloških

    procesov kakor tudi končnih uporabnih lastnosti teh materialov [29].

    2.4.1 Podro čja uporabe mikrokapsul v tekstilni industriji

    Tekstilna industrija mikrokapsuliranja se je razširila na Zahodno Evropo, Japonsko in

    Severno Ameriko [9]. Na začetku so v tekstilne namene mikrokapsulirali barvila in

    pigmente, mehčala, protistatična sredstva in zaviralce gorenja, kasneje pa so

    mikrokapsulirali tudi fotokromne in termokromne spojine, insekticide, protimikrobne in

    vodo-odbojne snovi, eterična olja in sintetične dišave, PCM materiale (angl. phase-

    change materials). Veliko je povpraševanje po vgradnji dišav, negovalcev kože,

    protimikrobnih preparatov, hormonov in vitaminov v tekstilne materiale. Mikrokapsule

    lahko vsebujejo aktivne, naravne sestavine raznih rož, mentola, aloe vero, vitamin E ter se

    lahko uporabijo za razne blazine, prevleke, itd.

    Enkapsulirane arome v sintetičnih kapsulah, uporabljene na tekstilnih izdelkih, imajo vlogo

    zaščite pred izhlapevanjem, oksidacijo in kontaminacijo, ter so predmet številnih raziskav.

    Raziskave z elektronsko mikroskopijo so pokazale, da so arome po pralnih ciklih dalj časa

    obdržale manjše mikrokapsule. Mikrokapsule vgrajene v nogavice in rokavice z

    protibakterijskimi efekti in raznimi aromami so vzdržale 25-30 pralnih ciklov. Želja

    potrošnikov je, da bi se lastnosti ob nanosu mikrokapsul dalj časa obdržale [3], [4].

    2.4.2 Zgradba mikrokapsule

    Mikrokapsule so mikronski delci, sestavljeni iz jedra, ki je obdano z ovojnico (Slika 2 - 6).

    Jedro mikrokapsule predstavlja 70-90 ut.% celotne mikrokapsule in je lahko sestavljeno iz

  • Diplomska naloga

    14

    ene ali več aktivnih substanc tekoče, trde ali plinaste snovi. Sem sodijo razna topila,

    mehčala, kisline in baze, katalizatorji, barvila, dišave, hrana, agrosredstva, zdravila in

    druge sestavine, ki se uporabljajo v farmaciji. Ovojnica, zaščitna plast mikrokapsule je

    lahko sestavljena iz naravnih, polsintetičnih ali sintetičnih materialov. Lahko je prepustna

    ali neprepustna. Neprepustne ovojnice so lahko obstojne na delovanje zunanje sile,

    visoke temperature, svetlobo ter topila ali vodo. Mikrokapsule se razlikujejo v velikosti,

    debelini in kemični sestavi ovojnice, mehanizmu sproščanja jedrnega materiala in

    tehnološkem postopku priprave, odvisno od področja uporabe. Kadar ovojnica obdaja

    tekočo ali plinasto snov, so mikrokapsule okroglih oblik. Če je jedro iz trdnih snovi, pa so

    mikrokapsule grobe in ponavadi nepravilnih oblik. Mikrokapsule so velikosti od 1 do 1000

    µm. Kapsule, ki so večje od 1000 µm, se imenujejo makrokapsule, manjše od 1 µm pa

    nanokapsule.

    Mikrokapsule z vsebnostmi raznih zdravilnih aktivnih substanc se na tekstilni substrat

    vežejo preko kemijskih vezi in sicer se mikrokapsulirajo v sintetično, monomerno,

    oligomerno ali polimerno snov z različnimi tehnikami polimerizacije in difuzije [5], [6].

    Slika 2 - 6: Prerez mikrokapsule [5].

    2.4.3 Postopki za pripravo mikrokapsul

    Postopek obdajanja jedrnega materiala z ovojnico se imenuje mikrokapsuliranje.

    Postopke za pripravo mikrokapsul razdelimo v mehanske, fizikalno-kemijske in kemijske

    postopke. Med mehanske postopke uvrščamo razpršilno sušenje, centrifugiranje,

    koestruzijo, itd. Med fizikalno-kemijski postopek uvrščamo koacervacijo, kemijske

    postopke pa delimo na polimerizacijske ali polikondenzacijske (medpovršinska

    polimerizacija) ter »in situ« polimerizacijo oz. polikondenzacijo.

    Osnovni pogoji, da se snov lahko mikrokapsulira, so:

    • da ni topna v nosilnem mediju - zvezni fazi,

  • Diplomska naloga

    15

    • da kemijsko ne reagira s stenskim materialom ali vpliva nanj (interakcije prek

    vodikovih vezi) tako, da onemogoči oblačenje površine dispergiranih delcev,

    • da se lahko dispergira v nosilnem mediju in

    • da prenese spremembe pH vrednosti, temperature, koncentracije, ki jih zahteva

    izbrani postopek mikrokapsuliranja.

    Aktivna substanca se v vlakna lahko vgrajuje v nekapsulirani ali kapsulirani obliki.

    Nekapsulirane aktivne substance

    Nekapsulirane aktivne substance se vgrajujejo ali dispergirajo v jedro votlih vlaken ali

    impregnirajo na površino vlaken (Slika 2 - 7). Pri tem se lahko vgrajujejo samostojno ali

    kot kopolimer.

    a.) b.)

    Slika 2 - 7: a.) Nanašanje mikrokapsul na tekstilna vlakna, b.) vgrajevanje mikrokapsul v

    tekstilna vlakna [5].

    Kapsulirane aktivne substance

    Obstajajo različne vrste aktivnih substanc, ki jih lahko v kapsulirani obliki vgradimo v

    tekstilna vlakna. Najodmevnejši so PCM materiali, tekoči kristalni polimeri,

    protibakteriološka sredstva, zaviralci ognja, itd. Za doseganje določenih lastnosti vlaken

    se v kopel oblikovanja vlaken iz raztopine dispergirajo različni modifikatorji vlaken, kot so

    npr. ognjevarna, mehčalna in protistatična sredstva. Kopeli se doda sredstvo, ki tvori

    mikrokapsulirano ovojnico na površini dispergiranih modifikatorjev [5].

    2.4.4 Aplikacije mikrokapsul na tekstilije

    Mikrokapsule so lahko aplicirane na tekstilije v obliki raztopine, disperzije ali emulzije z

    impregniranjem, premazovanjem, škropljenjem oz. pršenjem ali izčrpanjem. Za vse te

  • Diplomska naloga

    16

    postopke je potrebno vezivo, ki je lahko akril, poliuretan, silikon, škrob, itd. Naloga veziva

    je fiksirati mikrokapsule na tekstilije tako, da ostanejo na svojem mestu tudi med pranjem

    in nošenjem (Slika 2 - 8) [7].

    Slika 2 - 8: Apliciranje mikrokapsul na tekstilije[8].

    2.4.5 Apretiranje za zagotovitev protimikrobnih las tnosti

    Apretura je prvotno pomenila vse operacije pri končni izdelavi tekstilnega materiala,

    pozneje se je pojem razširil na vse delovne faze oz. postopke, ki vplivajo na lastnosti

    izdelkov razen na barvo [9].

    Široko področje protimikrobne zaščite predstavljajo materiali za izdelavo športnih oblačil,

    spodnjega perila in nogavic, protimikrobna zaščita tekstilij pa je predvidena tudi ta zaščito

    tehničnih tekstilij in tekstilij za dom.

    Prisotnost mikroorganozmov na tekstilnih materialih povzroča funkcionalne, higienske in

    estetske težave. Mikroorganizmi, prisotni na tekstilijah so v glavnem glive in bakterije.

    Glive povzročajo težave, kot so razbarvanje materiala in poškodbe vlaken, bakterije v

    večji meri ne poškodujejo vlaken, povzročajo pa neprijeten vonj in gladek sluzast otip.

    Za dobro protimikrobno zaščito se od apreturnih postopkov pričakuje učinkovito zatiranje

    mikroorganizmov, obstojnost na večkratno pranje, na kemično čiščenje in na vremenske

    vplive.

    Apreturna sredstva ne smejo obremenjevati okolja in morajo biti izbrana glede na veljavne

    zakonske predpise, od njih pa se pričakuje tudi dobra kompatibilnost z ostalimi

    apreturami.

    Protimikrobna zaščita tekstilnih materialov temelji na:

    • uporabi sredstev za zaščito pred patogenimi mikroorganizmi (higienska apretura)

    ter

    • zaščita tekstilij pred plesnijo in razkrojnimi produkti mikroorganizmov.

  • Diplomska naloga

    17

    2.4.6 Mehanizem delovanja protimikrobnih apretur

    Protimikrobna sredstva delimo v dve skupini glede na mehanizem delovanja:

    • Spojine, delujoče s kontroliranim sproščanjem aktivne substance. Protimikrobno

    sredstvo se počasi sprošča, bodisi na površino vlakna, bodisi v njegovo notranjost.

    Ta vrsta apretur je zelo učinkovita za mikrobe na površini vlaken, kot tudi za

    mikrobe v njihovi neposredni bližini.

    • Drugi tip protimikrobno delujočih spojin so spojine, ki jih kemijsko vežemo na

    površino vlaken. Te spojine zatirajo izključno mikrobe na površini. Pomanjkljivost

    apreture kemično vezanih spojin je neobstojnost apretur na drgnjenje, saj se s tem

    količina sredstva za delovanje proti mikroorganizmom znižuje [9].

    2.5 Elektrokineti čni pojavi

    Elektrokinetični pojavi zajemajo procese, v katerih je prisotno gibanje nabitih delcev.

    Tokova, ki ju srečamo pri elektrokinetičnih pojavih, sta električni tok in volumski tok

    raztopine, gonilni sili pa sta električna napetost in tlak. Kinetična koeficienta sta električna

    prevodnost in hidrodinamska prepustnost. Tako je električna napetost gonilna sila za

    električni tok, tlak pa za volumski tok. Toda tlak je tudi gonilna sila za električni tok in

    električna napetost za volumski tok.

    Številne informacije o opazovanem sistemu, kot je na primer predznak naboja gibajočih se

    delcev ali mirujoče površine, gostota naboja, hidrofilnost ali hidrofobnost površine in

    intenzivnost adsorpcije, nam dajo elektrokinetični pojavi. Elektrokinetične pojave

    razlikujemo med seboj po dveh kriterijih:

    • giblje se lahko raztopina elektrolita ali nabita površina in

    • razlika v električnem potencialu je vzrok gibanja, nastane tlačna razlika ali obratno; tlačna razlika povzroči gibanje, kar vodi do nastanka razlike v električnem

    potencialu.

    Glede na obravnavo nabite površine oz. nabitih delcev v raztopini elektrolita poznamo štiri

    različne elektrokinetične pojave: pretočni potencial, sedimentacijski potencial,

    elektroforeza in elektroosmoza (slika 2 - 9).

  • Diplomska naloga

    18

    Slika 2 - 9: Shematski prikaz eletrokinetičnih pojavov: a) pretočni potencial

    b) sedimentacijski potencial, c) elektroforeza, d) elektroosmoza [10].

    Preglednica 2 – 3 prikazuje metode za določanje elektrokinetičnega potenciala.

    Preglednica vsebuje merjene količine, enačbe, sheme naprav ter aplikacije za posamezne

    elektrokinetične pojave.

  • Diplomska naloga

    19

    Preglednica 2 – 3: Metode določanja elektrokinetičnega potenciala [11].

    Kjer so:

    ζ - zeta potencial (V)

    srU - pretočni potencial (V)

    p - tlak (Pa)

    η - dinamična viskoznost (Pa s)

    ε - dielektrična konstanta (C2/J·m) L - dolžina pretočnega kanala (m)

    Q - prečni prerez površine (m2)

    R - električna upornost )(Ω

    dt

    dV - diferencial volumskega toka v odvisnosti od tlaka (/)

    dt

    dU sd - diferencial sedimentacijskega potenciala v odvisnosti od tlaka (/)

    U - uporabljena zunanja napetost (V)

    ν - hitrost delcev (m/s) E - napetostno polje (V)

    SdU - sedimentacijski potencial (V)

    Metoda Merjene

    količine Enačbe Sheme naprav Aplikacije

    Pretočni

    potencial

    dp

    dU Sr

    RQ

    L

    dp

    dU Sr×

    ××

    ×=0εε

    ηζ

    vlakna,

    praški,

    plošče,

    plasti

    Elektroosmoza

    dt

    dV

    Q

    L

    Udt

    dV

    ××

    ×=0εε

    ηζ

    vlakna,

    praški

    Elektroforeza

    ν

    0εεηνζ×

    ×=E

    praški,

    suspenzije,

    disperzije,

    emulzije

    Sedimentacijski

    potencial

    SdU

    gndr

    U Sd×××××

    ×××=ρεε

    ληζ3

    0

    3

    praški,

    suspenzije,

    disperzije

  • Diplomska naloga

    20

    λ - molarna prevodnost (S·m2/mol)

    ρd - diferencial gostote delcev v tekoči fazi (/)

    r - polmer (m)

    n - število delcev (/)

    g - gravitacijski pospešek (m/s2)

    O pretočnem potencialu govorimo, kadar vzdolž nabite površine ustvarimo tlačno razliko,

    ki povzroči volumski tok raztopine ob nabiti površini. Zaradi kopičenja ionov, ki ga ustvari

    volumski tok raztopine se ustvari električno polje, ki v nasprotni smeri volumskega toka

    požene električni tok. Ravnotežje je doseženo, ko se izenačita električni in volumski tok.

    Ustvarjena tlačna razlika povzroči nastanek električne napetosti, ki jo imenujemo pretočni

    potencial. Nastal volumski tok pa povzroči električni tok v nasprotni smeri volumskega

    toka.

    Sedimentacijski potencial je električna napetost, ki nastane kot posledica gibanja nabitih

    delcev, ki so večji delci (kot v koloidih) in niso ioni iz raztopine elektrolita. Nabiti delci se

    akumulirajo vzdolž pretoka zaradi volumskega toka, posledica tega je nastanek električne

    napetosti, torej električnega polja, ki požene električni tok v nasprotni smeri, v primeru

    sedimentacijskega potenciala navzgor. Ravnotežje je doseženo ob izenačenju obeh

    tokov.

    Pri elektroforezi se nabiti delci pričnejo gibati zaradi zunanje napetosti. Razliko v tlaku

    povzroči gibanje delcev, ta pa povzroči volumski tok delcev. Informacijo o naboju nam

    dajo merjenja hitrosti delcev pri znani vrednosti električnega polja.

    Pri elektroosmozi pride do pojava električne napetosti, ki povzroči gibanje ionov v

    raztopini. Volumski tok raztopine pomeni gibanje ionov v raztopini. Ustvarjena električna

    napetost povzroči električni in volumski tok ter posledično s tem nastanek tlačne razlike

    [12].

    Elektrokinetične tehnike imajo pomembno vlogo pri karakterizaciji površinskih lastnosti

    vlaken v procesu barvanja in obdelovanja tekstilnih materialov. Te lastnosti temeljijo na

    številu, poziciji, orientaciji in stopnji disociacije vseh aktivnih skupin v procesu barvanja na

    substratu, poznanem kot zeta potencial. Za analizo procesa barvanja je pomembna

    električna prevodnost sistema, prav tako pa tudi adsorpcija na vlaknih [13].

  • Diplomska naloga

    21

    2.6 Elektri čna dvojna plast

    Površina trdnih delcev se ob stiku z vodo ali vodno raztopino obnaša električno nabito.

    Električni naboj na površini ustvari električno polje, ki vpliva na porazdelitev gibljivih ionov

    elektrolita v raztopini ob nabiti površini. Ioni se porazdelijo tako, da je koncentracija ionov

    z nasprotnim predznakom kot so naboji na površini, v področju ob trdni površini večja,

    koncentracija z istim predznakom pa manjša. Z večanjem razdalje od nabite površine se

    vpliv električnega polja nabojev manjša. Porazdelitev nabojev je vedno bolj homogena

    [14].

    Model električne dvojne plasti zajema opis porazdelitve naboja in odgovarjajoče

    spremembe potenciala glede na razdaljo od trdne površine. Poznamo več modelov

    (Helmholtz, Gouy Chapman, Stern,...), ki so predpostavili različno razporeditev naboja v

    raztopini elektrolita. Prvi znani model sta razvila Helmholz in Perrin leta 1904, znan kot

    Helmholtzov model. Predpostavila sta, da se iz raztopine elektrolita na površino adsorbira

    naboj, ki je nasprotno enak naboju na površini. Nastane ploščni kondenzator, potek

    električnega potenciala v plasti adsorbiranega naboja ob površini, ki jo imenujemo

    Helmholtzova plast, je torej linearen. Ker adsorbirani naboj popolnoma zasenči naboj na

    površini, vpliv nabite površine ne sega v raztopino. Ob tem modelu se je razvil termin

    dvojna plast, ki se nanaša na naboje na površini in na naboje iz raztopine. Približno deset

    let za Helmholtzovim modelom je nastal Gouy-Chapmanov model, ki ne predpostavi

    adsorpcije ionov na površini, pač pa predpostavi, da so ioni elektrolita v raztopini ob

    površini razporejeni po Boltzmannovi razporeditvi. Gouy-Chapmanov model upošteva za

    razliko od Helmholtzovega modela le termično gibanje ionov in zanemari možnost, da se

    nekaj naboja lahko tudi adsorbira na površino – bodisi stalno, bodisi le v obliki

    dinamičnega ravnovesja nenehne izmenjave ionov med raztopino in površino. Kot prvi

    korak k odpravi pomanjkljivosti obeh do sedaj omenjenih modelov je leta 1924 Stern

    združil Helmholtzov in Gouy Chapmanov model. Najpomembnejša pridobitev Sternovega

    modela je v tem, da ionov več ne obravnava kot točkastih teles, ampak jim pripiše neko

    končno dimenzijo, prav tako pa upošteva, da se lahko ion adsorbira na površino zaradi

    interakcij, ki niso izključno elektrostatske. Gouy - Chapman - Stern - Grahamov model

    (GCSG) je eden sodobnejših modelov, ki ga danes najpogosteje srečamo pri obravnavi

    modela nabite površine v raztopini elektrolita (Slika 2 - 10). Helmholtzovo plast razdeli v

    dva dela in sicer na zunanjo in notranjo. Notranjo Helmholtzovo plast sestavlja plast

    adsorbiranih vodnih molekul oz. disociiranih vodnih molekul tik ob površini, ki zaradi

    naboja površine niso naključno razporejene, ampak so urejene tako, da je njihova

    interakcijska energija s površinskim nabojem minimalna. Vodne molekule ob površini se

  • Diplomska naloga

    22

    orientirajo kot dipoli glede na predznak naboja na površini. V notranji Helmholtzovi plasti

    pa so lahko tudi ioni elektrolita, ki so bolj gibljivi in so zaradi tega preferenčno adsorbirani

    kot posledica delovanja disperzijskih sil. Ker ta model upošteva strukturo vode,

    predpostavi hidratacijo ionov; ioni so torej obdani z vodnimi molekulami. Kot posledica

    prostorskih omejitev so kationi, ob katere se vodne molekule postavijo s kisikovimi atomi,

    bolj hidratirani kot anioni; t.j. anione pri gibanju v raztopini omejuje manj »prilepljenih«

    vodnih molekul kot katione, pogosto pa sploh niso hidratirani. Zato so v notranji

    Helmholtzovi plasti ne glede na predznak naboja na površini preferenčno adsorbirani

    anioni. Ker je to posledica manjše hidratacije anionov glede na katione, se interakcija, ki

    povzroči preferenčno adsorpcijo anionov v notranjo Helmholtzovo plast, imenuje tudi

    hidrofobna interakcija. Zunanjo Helmholtzovo plast sestavljajo elektrostatsko adsorbirani

    ioni, ki so nasprotnega predznaka kot naboj na površini. Tik ob površini je notranja

    Helmholtzova plast (IHP), v kateri so molekule vode in specifično adsorbirani anioni. Ob

    notranji je zunanja Helmholtzova plast (OHP), v kateri so elektrostatsko adsorbirani

    anioni. Nato se prične difuzijska plat, v kateri v bližini površine prevladujejo anioni, prisotni

    pa so tudi hidratirani kationi. Z naraščajočo razdaljo od površine se koncentraciji kationov

    in anionov postopamo izenačujeta, dokler ne dosežemo ravnotežne koncentracije anionov

    in kationov. Bistvena ugotovitev, predstavljena v okviru tega modela, je bila, da se v

    notranjo Helmholtzovo plast vedno preferenčno adsorbirajo anioni, pa četudi je površina

    negativno nabita, kar kaže na to, da so poleg elektrostatskih interakcij zelo pomembne

    tudi ostale interakcije [15].

  • Diplomska naloga

    23

    Slika 2 - 10: Shema Gouy-Chapman-Stern-Grahame (GCSG) modela elektrokinetične

    dvojne plasti [15].

    Obstoj električne dvojne plasti je na mejni površini trdno/tekoče povzročen:

    • s prednostno adsorpcijo ene vrste ionov v primerjavi z adsorpcijo vode in

    • ionizacijo kislin ali bazičnih molekulskih skupin trdnega telesa.

    2.7 Določanje preto čnega potenciala

    Elektrokinetični potencial oz. zeta potencial se nanaša na spremembo potenciala na

    strižni površini med premikajočim in mirujočim delom difuzne dvojne plasti. Obstaja več

    načinov, kako določiti zeta potencial. Ponavadi ga izračunamo preko izmerjenih količin v

    okviru elektrokinetičnih pojavov. Določamo ga z izkoriščanjem kateregakoli

    elektrokinetičnega efekta, npr.: pretočni potencial elektrolita, sedimentacijski potencial,

    elektroforeze ali elektroosmoze.

    Pri merjenju pretočnega potenciala merimo jakost električnega polja, ki nastane zaradi

    premikanja dveh faz v nasprotni smeri. Če vzdolž nabite površine v raztopini elektrolita

    ustvarimo neko tlačno razliko, nastane volumski tok raztopine vzdolž nabite površine. Kot

    prikazuje Gouy-Chapman-Stern-Grahamov model nabite površine v raztopini elektrolita

    (Slika 2 – 11), se neposredno ob nabiti površini ustvari plast adsorbirane vode. Upošteva

    prav tako, da se lahko ion adsorbira na površino tudi zaradi neelektrostatskih interakcij.

    Ob tej plasti se ustvari plast ionov elektrolita, ki so adsorbirani preko elektrostatskih

    interakcij in imajo zato naboj nasprotnega predznaka, kot je predznak naboja na površini.

    To sta notranja in zunanja Helmholtzova plast. Obe Helmholtzovi plasti predstavljata

    omejitev za volumski tok raztopine vzdolž površine. Obstaja torej neka najmanjša razdalja

    od nabite površine, na kateri volumski tok raztopine zaradi prostorske omejitve, ki jo

    povzročajo adsorbirani ioni, ni mogoč. Ravnina, ki je vzporedna nabiti površini in je od nje

    oddaljena za to najmanjšo razdaljo, se imenuje strižna plast. Električni potencial na strižni

    plasti pa se imenuje zeta potencial. Oddaljenost strižne plasti od nabite površine je

    približno enaka debelini celotne Helmholzove plasti. Ker pa je ravnovesje v zunanji

    Helmholtzovi plasti dinamično, kar pomeni, da se adsorbirani ioni nenehno izmenjujejo z

    ioni iz difuzijske plasti, je tudi oddaljenost strižne plasti od nabite površine podvržena

    fluktuacijam, ki pa niso velike, zato v izračunih ponavadi upoštevamo kar povprečno

    vrednost. Pravimo, da nudi zeta potencial informacijo o elektrokinetičnih lastnostih

    površine. To pomeni, da lahko s poznavanjem zeta potenciala ugotovimo predznak

  • Diplomska naloga

    24

    skupnega naboja na površini in v Helmholtzovi plasti ter ocenimo ploskovno gostoto tega

    naboja. To ni ploskovna gostota naboja same površine, ampak gostota naboja površine

    skupaj z vsem nabojem adsorbiranih ionov znotraj strižne plasti. Ta skupen naboj

    imenujemo tudi elektrokinetični naboj. Nato lahko ocenimo razmere v Helmholtzovi plasti-

    torej, ali je površina hidrofilna ali hidrofobna, kateri ioni in koliko se jih adsorbira v obe

    plasti. Na zeta potencial vpliva velikost elektrokinetičnega naboja in debelina plasti

    mirujoče raztopine-torej Helmholtzove plasti. Z naraščanjem velikosti elektrokinetičnega

    naboja raste tudi absolutna vrednost zeta potenciala, z naraščajočo debelino

    Helmholtzove plasti pa se absolutna vrednost zeta potenciala zmanjšuje, saj potencial z

    oddaljenostjo od površine pada. Zeta potencial vlaken lahko zasledujemo z merjenjem

    pretočnega potenciala ali toka in z elektroosmozo.

    Elektrokinetične lastnosti lahko izrazimo z ξ , to je potencialom na mejni strižni površini

    trdnega telesa in tekočo fazo, ki je definiran z Gouy-Chapman-Stern-Grahame modelom

    (GCSG), ki ga prikazuje slika 2 – 11.

    Slika 2 - 11: Gouy-Chapman-Stern-Grahamov model nabite površine v raztopini elektrolita

    [16].

    Metoda temelji na principu merjenja pretočnega potenciala/toka (streaming

    potential/streaming current), pri čemer raztopina elektrolita struja skozi preiskovani

    material. Pri prehodu elektrolita skozi vzorec pride na mejni površini do zamika

    površinskega naboja v smeri toka elektrolita in nastanka pretočnega potenciala/toka.

    Nastali pretočni potencial je merjen s pomočjo sistema elektrod, postavljenih na vsakem

    koncu vzorca. Temperatura, prevodnost in pH, ki so sprotno merjeni, omogočajo določitev

    lastnosti elektrolita.

    Z upoštevanjem Fairbrother – Mastinovega pristopa se zeta potencial lahko določi z

    merjenjem pretočnega potenciala in specifične električne prevodnosti elektrolita. Izpeljali

    bomo zvezo med pretočnim potencialom, pretočnim tokom ter lastnostmi elektrolita [17].

  • Diplomska naloga

    25

    Enačba (2.4) podaja zvezo med pretočnim potencialom dp

    dU in realnim zeta

    potencialomς .

    RA

    L

    dp

    dU

    ××

    ××=

    0εεηζ (2.4)

    Tok tekočine skozi merilno celico povzroči pretočni tok in pretočni potencial. Zvezo med

    pretočnim tokom dp

    dI in pretočnim potencialom

    dp

    dU nam daje naslednja Helmholtz -

    Smoluchowska enačba [17]

    A

    L

    dp

    dI ××

    ×=0εε

    ηζ (2.5)

    Razmerje A

    L merilne celice, ki je napolnjena z raztopino elektrolita, je podano z enačbo

    (2.6):

    RA

    L ×= κ (2.6)

    Enačbo (2.4) lahko preoblikujemo v:

    κεε

    ηζ ××

    ×=0dp

    dU (2.7)

    Za raztopine elektrolita, ki so ≥ 0,001 mol/L, lahko uporabimo Bκ , specifično električno

    prevodnost elektrolita izven merilnega območja. Ta pot velja za vzorce z zanemarljivo

    majhno površinsko prevodnostjo. V enačbi (2.8) ne upoštevamo prevodnosti površine

    materiala.

    Bdp

    dU κεε

    ηζ ×⋅

    ×=0

    (2.8)

  • Diplomska naloga

    26

    Zeta potencial, ki upošteva Bκ , se imenuje navidezni zeta potencial.

    Kjer so:

    ζ - zeta potencial (V)

    dp

    dU - diferencial pretočnega potenciala v odvisnosti od tlaka (/)

    dp

    dI - diferencial pretočnega toka v odvisnosti od tlaka (/)

    0ε - influenčna konstanta (C2/J·m)

    ε - dielektrična konstanta elektrolita (C2/J·m) η - dinamična viskoznost raztopine (Pa s)

    L - dolžina pretočnega kanala (m)

    A - površina pretočnega kanala (m2)

    R - AC zunanji upor merilne celice )(Ω

    A

    L - koeficient kapilare napolnjen z elektrolizno raztopino (/)

    Bκ - specifična električna prevodnost izven merilnega območja (S/m) κ - specifična električna prevodnost (S/m)

    Zeta potencial, kot funkcija pH elektrolita, predstavlja na bazičnem področju disociiacijo

    kislih skupin oz. adsorbcijo OH- ionov ali drugih anionov. Znižanje pH je posledica

    asociacije kislih skupin in disociacije bazičnih skupin, zaradi desorpcije anionov in

    adsorpcije kationov, tako da je doseženo ravnotežje.

    Z merjenjem zeta potenciala lahko karakteriziramo kisle oz. bazične lastnosti površin

    trdnih teles. V osnovi velja, da prisotnost kislih oz. bazičnih funkcionalnih skupin ustreza

    funkcijski odvisnosti zeta potenciala od pH raztopine elektrolita [18].

    a.) b.)

  • Diplomska naloga

    27

    Slika 2 - 12: Shematski prikaz funkcijske odvisnosti zeta potenciala trdnega telesa od

    pH raztopine, kjer je a.) • ionizacija bazičnih skupin, � ionizacija kislih in bazičnih

    skupin, ° ionizacija kislih skupin, b.) ∆ nepolarna površina brez disociacije molekulskih

    skupin [19].

    Vrednost pH pri kateri doseže zeta potencial vrednost nič, imenujemo izoelektrična točka

    (ang.isoelectric point – IEP) (Slika 2 – 11). V tej točki je skupni električni naboj ničen,

    zaradi tega sta količina pozitivnega in negativnega naboja znotraj strižne površine enaka

    [16].

    Glavni del polimerov kaže parabolično odvisnost zeta potenciala od koncentracije

    raztopine HCl . Na podlagi tega dejstva, je Stern podal enačbi za izračun prostih energij

    molarne adsorpcije K+ in Cl- v obliki ionov.

  • Diplomska naloga

    28

    3. EKSPERIMENTALNI DEL

    3.1. Materiali

    Pri izvedbi eksperimentalnega dela diplomske naloge smo uporabili vzorce bombažnih

    pletenin iz tovarne Beti Pletenine d.o.o. iz Metlike in vzorce pletenin in prej poliamida 6,6,

    ki nam jih je priskrbela Tovarna hlačnih nogavic Jadran d.d. iz Zagreba.

    3.1.1 Vzorci iz bombažnega materiala

    Vzorce bombažnih pletenin smo razvrstili v tri skupine, in sicer:

    • preliminarni vzorci bombažnih pletenin (Preglednica 3 - 1),

    • vzorci Interlock 5353 obdelanih bombažnih pletenin (Preglednica 3 - 2) in

    • vzorci Interlock 5353 protimikrobno apretiranih pletenin pred in po pranju

    (Preglednica 3 - 3).

    Karakteristike preliminarnih vzorcev bombažnih pletenin so predstavljene v preglednici 3 –

    1. Preglednica podaja oznako vzorca, vrsto barvila, vrsto apreturnega sredstva, njegov

    učinek ter sestavo apreturnega sredstva in proizvajalca. Skupina preliminarnih vzorcev

    vsebuje pet različno obarvanih bombažnih pletenin. Prve štiri številke v oznaki vzorca

    predstavljajo artikel, sledijo znaki za barvo vzorca, zadnji dve oz. zadnje tri črke pomenijo

    vrsto apreturnega sredstva. Kot lahko vidimo, smo meritve izvedli na pet različno

    pobarvanih pleteninah z dodanimi različnimi apreturnimi sredstvi (protimikrobna, proti

    krčenju, hidrofilna in funkcionalna). Na primer, pobarvan vzorec ima oznako 1866_6E9,

    pobarvan vzorec z dodanim apreturnim sredstvom pa je označen z oznako

    1866_6E9_SK.

  • Diplomska naloga

    29

    Preglednica 3 - 1: Seznam preliminarnih vzorcev iz bombažnih pletenin.

    Šifra

    Karakteristike

    Apreturna sredstva Sestava apreturnih sredstev

    Proizvajalec apreturnih sredstev

    pobarvan apretura

    1

    1866_6E9

    +*

    - - - -

    1866_6E9_SK

    protimikrobna SANITIZED T9919 dimetiltetradecil (3(trimetoksisilil)propil) amonijev

    klorid CLARIANT

    (Schweiz) AG

    proti krčenju

    STABITEX ETR smola (dimetil dihidroksietilen urea) COGNIS

    ADALIN NI mehčalec (polietilenska disperzija) COGNIS

    ADASIL ME mehčalec (amino funkcionalni silikoni) COGNIS

    2 2435_6T5 +**

    - - - -

    2435_6T5_H hidrofilna SOFTYCON WHP mehčalec (modificirani poliuretan) TEXTILCOLOR AG

    3 0404_3T8

    +**

    - - - -

    0404_3T8_M hidrofilna TUBINGAL ASW mehčalec (silikonski) CHT R.BEITLICH

    GMBH

    4

    9711_663

    +*

    - - - -

    9711_663_AV funkcionalna NOUWELL SCA silikonski mehčalec z dodatkom ekstrakta (aloe

    vera) CHT R.BEITLICH

    GMBH

    5

    9711_3M1

    +*

    - - - -

    9711_3M1_AV

    hidrofilna CERAPERM MW amino funkcionalni silikon CLARIANT

    funkcionalna NOUWELL SCA silikonski mehčalec z dodatkom ekstrakta (aloe

    vera) CHT R.BEITLICH

    GMBH

    Opombe:

    • *-DRIMAREN (azo-barvilo/bakrov kompleks)

    • **-BEZAKTIV (reaktivno barvilo)

  • Diplomska naloga

    30

    Preglednica 3 - 2 predstavlja vzorce bombažnih pletenin Interlock 5353 iz Tovarne Beti

    Pletenine d.o.o., ki so bili različno obdelani (surovi, beljeni, pobarvani in mehčani vzorci).

    Številka 5353 je oznaka artikla, S označuje surov vzorec, B pomeni beljen vzorec z

    vodikovim peroksidom, P označuje vzorec, ki je predhodno beljen in nato še pobarvan z

    reaktivnim barvilom, oznaka M pa pomeni, da je vzorec poleg prej naštetih obdelav, še

    dodatno mehčan. Tako obdelana pletenina v proizvodnji je pripravljena za nadaljnjo

    obdelavo materiala kot npr. za nanos apretur. Lahko je pa tudi na tej fazi obdelava

    pletenine končana.

    Preglednica 3 - 2: Seznam obdelanih vzorcev bombažnih pletenin Interlock 5353.

    Šifra Karakteristike sredstvo

    5353_S surov -

    5353_B beljen vodikov peroksid

    5353_P pobarvan reaktivno barvilo

    5353_M mehčan in pripravljen za

    apreturo mehčalec proti krčenju

    Vzorci Interlock 5353 bombažnih pletenin, ki so protimikrobno apretirani, so predstavljeni

    v preglednici 3 – 3. Iz preglednice lahko vidimo vrsto apreture ter njihovega proizvajalca.

    Poleg tega je dodana še receptura z masnimi koncentracijami sredstev za pripravo kopeli

    za apretiranje. Kot smo že prej omenili, so vsi vzorci, ki gredo v nadaljnjo obdelavo za

    apretiranje, predhodno mehčani s sredstvom za mehčanje SOFTYCON WHP. Tako

    pripravljenim vzorcem je dodano protimikrobno apreturno sredstvo SANITIZED T9919.

    Vsak vzorec z dodano apreturo je bil nato še enkrat, trikrat oz. desetkrat opran z ECE

    standardnim pralnim sredstvom 77, da smo ugotavljali razliko oz. odnašanje apreturnega

    nanosa s pletenine.

    Za našo raziskavo so vzorce pripravili v Tekstilno tehnološki fakulteti v Zagrebu, na

    Zavodu za tekstilno - kemijsko tehnologijo in ekologijo. V preglednici so podane štiri

    skupine vzorcev, ki se med sabo razlikujejo v dodani količini protimikrobnega apreturnega

    sredstva. Vzorci druge skupine (20_10) so obdelani po recepturi, ki jo trenutno uporabljajo

    v tovarni Beti Pletiva d.o.o. Kopel za obdelavo pletenine je bila sestavljena iz 20 g/L

    hidrofilnega mehčalca (SOFTYCON WHP) ter 10 g/L protimikrobnega nanosa

    (SANITIZED T9919). V raziskavo smo vključili še vzorce (prva skupina) pripravljene v

    kopeli z 20 g/L hidrofilnega mehčalca ter 5 g/L protimikrobnega nanosa (20_5) in 20 g/L

    hidrofilnega mehčalca ter 15 g/L protimikrobnega nanosa (20_15), ki so predstavljeni kot

  • Diplomska naloga

    31

    tretja skupina vzorcev. Kot smo že prej omenili, so bili vsi vzorci različno prani (1 krat, 3

    krat in 10 krat). Zadnja skupina vzorcev (20_10B) je bila pripravljena v proizvodnji tovarne

    Beti Pletiva d.o.o., ki so bili ravno tako 1 krat (20_10B_1X), 3 krat (20_10B_3X), ter 10

    krat (20_10B_10X) oprani.

    Preglednica 3 - 3: Seznam lastnosti protimikrobno apretiranih bombažnih vzorcev

    Interlock 5353 pred in po pranju.

    Šifra Karakteristike Apreturna sredstva

    Proizvajalec apreturnih sredstev

    γ (g/L)

    1

    20_5 laboratorijsko apretirano*

    SOFTYCON WHP

    TEXTILCOLOR AG 20

    SANITIZED T9919

    CLARIANT (Schweiz) AG

    5

    20_5_1X apretirano* in 1 X

    oprano ECE standardno pralno sredstvo

    77 /

    5

    20_5_3X apretirano* in 3 X

    oprano

    20_5_10X apretirano* in 10 X

    oprano

    2

    20_10 laboratorijsko apretirano*

    SOFTYCON WHP TEXTILCOLOR AG 20

    SANITIZED T9919

    CLARIANT (Schweiz) AG

    10

    20_10_1X apretirano* in1 X

    oprano ECE standardno pralno sredstvo

    77

    / 5

    20_10_3X apretirano* in 3 X

    oprano

    20_10_10X apretirano* in 10 X

    oprano

    3

    20_15 laboratorijsko apretirano*

    SOFTYCON WHP

    TEXTILCOLOR AG 20

    SANITIZED T9919

    CLARIANT (Schweiz) AG

    15

    20_15_1X apretirano* in 1 X

    oprano ECE standardno pralno sredstvo

    77

    / 5

    20_15_3X apretirano* in 3 X

    oprano

    20_15_10X apretirano* in 10 X

    oprano

    4

    20_10B apretirano v

    tovarni*

    SOFTYCON WHP

    TEXTILCOLOR AG 20

    SANITIZED T9919

    CLARIANT (Schweiz) AG 10

    20_10B_1X apretirano* in 1 X

    oprano ECE standardno pralno sredstvo

    77 /

    5

    20_10B_3X apretirano* in 3 X

    oprano

    20_10B_10X apretirano* in 10 X

    oprano

  • Diplomska naloga

    32

    3.1.2 Vzorci iz poliamidnega (PA6,6) materiala

    Vzorce iz poliamidnega materiala, uporabljene v naši raziskavi, smo razdelili v dve

    skupini:

    • beljen poliamid 6,6 dveh finosti (70 in 20 dtex) (Preglednica 3 - 4) in

    • mikrokapsulirani poliamid 6,6 (Preglednica 3 - 5).

    Beljene vzorce poliamida 6,6, njihove karakteristike so podane v preglednici 3 – 4, smo

    razvrstili glede na finost. Ločili smo jih na pletenino s finostjo 20 in 70 dtex in prejo s

    finostjo 22 in 78 dtex. Prejo označujejo tudi druge lastnosti kot so, število vlaken, število

    niti in smer navitja.

    Preglednica 3 - 4: Seznam beljenih vzorcev poliamida 6,6 in njihove lastnosti.

    Šifra Vrsta proizvoda Lastnosti

    PA6,6_20 pletenina

    Finost: 20 dtex

    PA6,6_70 Finost: 70 dtex

    PA6,6_22_7

    preja

    22/7 X 1-Z

    skupna finost: 22 dtex število vlaken: 7 število niti: 1 smer navitja: Z

    PA6,6_78_34

    78/34 X 1-S

    skupna finost: 78 dtex število vlaken: 34 število niti: 1 smer navitja: S

    Druga skupina vzorcev je prikazana v preglednici 3 – 5. Predstavljeni so vzorci pletenin s

    finostjo 20 dtex iz poliamidnega materiala. V raziskavo smo vključili vzorec PA 6,6

    (PA6,6_surov), vzorec z 1 %(PA6,6_1%), 3 % (PA6,6_3%) in 8 % (PA6,6_1%) nanosom

    mikrokapsul. Vzorce iz poliamidnega materiala nam je priskrbela Tovarna hlačnih nogavic

    Jadran d.d. iz Zagreba, mikrokapsuliranje pa so izvedli na Tekstilno tehnološki fakulteti v

    Zagrebu, na Zavodu za tekstilno - kemijsko tehnologijo in ekologijo. Kemijsko apreturo

    sestavljajo mikrokapsule katerih glavna sestavina je kokosovo olje, vezivo ter mehčalca.

    Vzorec PA6,6_3% smo še 1 krat (PA6,6_3%_1X) in 10 krat (PA6,6_3%_10X) oprali s

  • Diplomska naloga

    33

    pralnim sredstvom (tekoči Ariel, 2 g/L), ki je primerljiv s pralnimi sredstvi in ki se

    uporabljajo v gospodinjstvu.

    Preglednica 3 - 5: Seznam vzorcev poliamida 6,6 z mikrokapsulami in njihove lastnosti.

    Opombe:

    • -mikrokapsule (kokosovo olje)

    • -vezivo (na bazi poliuretana)

    • -mehčalec (silikonski)

    Šifra

    Karakteristike

    Kemijska sestava apreture

    apretura ročno pranje

    PA6,6_surov - - -

    PA6,6_1% funkcionalna - mikrokapsule (1 %) vezivo mehčalec

    PA6,6_3% funkcionalna - mikrokapsule (3 %) vezivo mehčalec

    PA6,6_8% funkcionalna - mikrokapsule (8 %) vezivo mehčalec

    PA6,6_3%_1X funkcionalna 1X oprano

    (tekoči Ariel 2 g/L)

    mikrokapsule (3 %) vezivo mehčalec (tekoči Ariel 2 g/l)

    PA6,6_3%_10X funkcionalna 10X oprano

    (tekoči Ariel 2 g/L)

    mikrokapsule (3 %) vezivo mehčalec (tekoči Ariel 2 g/l)

  • Diplomska naloga

    34

    3.2. Merilni instrument SurPASS

    Eksperimentalni del diplomske naloge smo izvedli z merilnim instrumentom, katerega

    proizvajalec je podjetje Anton Paar GmbH iz Gradca, Avstrija.

    3.2.1 Aparatura

    Za merjenje pretočnega potenciala smo uporabili merilni instrument elektrokinetični

    analizator SurPASS, prikazan na sliki 3 - 1. Merilno opremo sestavljajo elektrokinetični

    analizator »SurPASS«, programska oprema »Visiolab for SurPASS« in osebni računalnik.

    SurPASS je primeren skoraj za vse oblike in velikosti tkanin, vlaken, kovinskih lističev,

    membran, zrn in praškov.

    Slika 3 - 1: Elektrokinetični analizator SurPASS [23].

    3.2.2 Princip delovanja instrumenta SurPASS

    Raztopina elektrolita teče skozi merilno celico, v kateri imamo vzorec. Tok elektrolita

    uravnava dvojni brizgalno-črpalni sistem, ki povzroča ločitev naboja vzdolž merilne celice.

    Pretok je odvisen od prepustnosti vzorca ter od ustvarjenih rež, ki jih povzroči razlika tlaka

    med vhodom in izhodom v merilno celico in iz nje. Merilne elektrode zaznajo razliko

    potenciala (pretočni potencial) ali razliko toka (pretočni tok), ki so povezane z vtokom in

    iztokom elektrolita merilne celice. Vrednosti meritev za ∆p (tlačna razlika skozi merilno

    celico) in ∆U (pretočni potencial) oz. ∆I služijo za izračun zeta potenciala. Slika 3 – 2

    prikazuje cirkulacijo raztopine elektrolita.

  • Diplomska naloga

    35

    Slika 3 - 2: Cirkulacija raztopine elektrolita v instrumentu SurPASS [17].

    Za določanje zeta potenciala tekstilnih materialov smo uporabljali cilindrično merilno celico

    (Slika 3 - 2). Ima dve perforirani Ag/AgCl elektrodi. Merjeni vzorec z znano maso vstavimo

    v obliki čepa med obe elektrodi v celici, preko katerih v celico priteka oz. odteka raztopina

    elektrolita.

    Slika 3 - 3: Shema cilindrične celice za merjenje pretočnega potenciala [23].

  • Diplomska naloga

    36

    Na podlagi izmerjenega pretočnega potenciala dp

    dU smo zeta potencial ovrednotili s

    Fairbrother-Mastinovim (F-M) pristopom, ki upošteva prevodnost elektrolita.

    Bdp

    dU κεε

    ηζ ××

    ×=0

    (2.9)

    3.2.3 Potek meritev

    Priprava aparature

    Pred začetkom vsake meritve je bilo potrebno aparaturo ustrezno očistiti. Izpirali smo jo s

    500 mL deionizirane vode. Nato je bilo potrebno umeriti pH elektrodo, pri čemer smo

    uporabili puferne raztopine različnih pH-jev in sicer pH 4, 7 in 10. Meritve smo izvajali s

    pomočjo računalnika in programske opreme »Visiolab for Surpass«. V časovnem razmiku

    30 dni smo preverili pravilno umerjenost elektrode za merjenje prevodnosti.

    Priprava vzorca

    Preden smo namestili vzorec v cilindrično celico, smo se prepričali, da sistem ni

    kontaminiran in da v njem ni prisotnega zraka. To smo odpravili s procesom podaljšanja

    cikla izpiranja v obeh smereh brez vzorca v cilindrični celici. Nato smo namestili vzorec v

    cilindrično celico. Nadaljevanje meritev je potekalo s programom VisioLab za

    elektrokinetični analizator SurPASS. Parametre za merjenje smo določili v programu

    VisioLab, kjer smo definirali primeren ciljni tlak (v našem primeru 4 x 104 Pa) za določanje

    zeta potenciala. Nato smo v 200 sekundah napolnili celico z elektrolitom in po končanem

    polnjenju definirali še izpiranje celice in vzorca, kar je trajalo 300 sekund. Pri tem smo

    opazovali pretok skozi merilno celico za oba toka, iz leve in iz desne smeri, v odvisnosti

    od tlaka (ang. flow check). Odvisnost pretoka od tlaka mora biti linearna za oba toka. Na

    osnovi dobljenih rezultatov meritev je računalnik izrisal graf odvisnosti pretoka od tlaka

    (Slika 3 - 4).

    Če premici nista linearni, lahko kaže na prisotnost zraka v sistemu ali pa na mehansko

    napako pri pripravi vzorca, kar onemogoča dobre rezultate oz. nadaljnje merjenje. Z

    linearnostjo krivulj se tudi prepričamo, da so rezultati neodvisni od smeri tokov in so

    uporabni v raziskavi. Če ne dosežemo linearnosti, moramo vzorec menjati in po potrebi

    očistiti celoten sistem.

  • Diplomska naloga

    37

    Slika 3 - 4: Pretok elektrolita v odvisnosti od tlaka.

    Ko dosežemo idealen pretok, nadaljujemo z merjenjem, tako da določimo način meritev. V

    našem primeru smo uporabljali posamezne (ang. Single) meritve in avtomatsko titracijo

    (ang. Automatic Titration). Posamezne meritve uporabljamo za določanje zeta potenciala

    pri elektrolitu s točno določenim pH, koncentracijo in prevodnostjo. Avtomatsko titracijo pa

    uporabljamo za določanje zeta potenciala pri različnih vrednostih pH. Pri tem načinu

    merjenja je potrebno pred pričetkom merjenja definirati zgornjo in spodnjo mejo pH ter

    volumen dodanega titranta.

    Nato je računalnik pričel z drugo stopnjo meritev potrebnih za izvedbo titracije 0,1 M HCl .

    Raztopino NaOH smo s pomočjo kapalke nanesli v pripravljeno raztopino in določili

    maksimum vrednosti pH. Končna preglednica prikazuje količine: dPdU / , pH, zeta

    potencial, električno prevodnost, temperaturo, viskoznost, dielektričnost elektrolita,

    električni upor celice, električni potencial. Na osnovi dobljenih rezultatov smo narisali graf

    odvisnosti zeta potenciala od pH.

  • Diplomska naloga

    38

    Uporabljene kemikalije

    Pri eksperimentalnem delu smo uporabili kemikalije: kalijev klorid ( KCl ) s koncentracijo

    0,001 mol/L, natrijev hidroksid ( NaOH ) in klorovodikovo kislino ( HCl ). KCl so

    brezbarvni, vodotopni kristali, ostrega slanega okusa. Tališče ima pri 770°C. Raztopino

    KCl smo pripravili tako, da smo zatehtali ustrezno količino kristalov v 2000 mL bučko,

    vsebino razredčili z deionizirano vodo do oznake in raztopino dobro premešali.

    3.2.4 Rezultati in opis meritev na primeru

    Začetno fazo izvajanja meritev v programu Visiolab za SurPASS smo izvedli tako, da smo

    vzorec najprej spirali s 500 mL deionizirane vode in nato pripravili elektrolit 0,001mol/L

    KCl.

    Po izmerjenih meritvah smo pričeli z nastavitvami za titracijo. To smo izvedli tako, da smo

    nastavili pogoje za pH in sicer z ročnim dodajanjem 0,1mol/L NaOH približno do pH= 9,6

    v pripravljen elektrolit. V programu avtomatske titracije smo nastavili željeno razliko pH in

    sicer 0,3 in spremembo volumna na 0,03 ter pH od 9,7 do 4,5 v prvem delu, in od 4,6 do

    2,5 v drugem delu avtomatske titracije. Prav tako smo definirali tlak, potreben za merjenje

    potenciala zaradi pretoka. Temperaturo smo kontrolirali z uporabo programa SurPASS.

    Po končani avtomatski titraciji smo instrument sčistili z izopropanolom ali acetonom in

    deionizirano vodo v razmerju 50:50. V programu VisioLab za SurPASS imamo tabelarno

    podane končne meritve (Slika 3 - 5), ki jih prenesemo v program Microsoft-Excel.

  • Diplomska naloga

    39

    Slika 3 - 5: Primer prikaza titracije bombažnega vzorca meritve zeta potenciala v odvisnosti od pH.

  • Diplomska naloga

    40

    4. REZULTATI IN DISKUSIJA

    Zaradi boljšega pregleda nad rezultati smo nadaljnje diskusije in podajanje rezultatov

    razdelili v dva dela. V poglavju 4.1. bomo predstavili rezultate dobljene pri meritvah

    izvedenih na vzorcih iz bombažnega materiala, poglavje 4.2 pa predstavlja rezultate

    meritev na vzorcih iz poliamidnega materiala.

    4.1. Vzorci iz bombažnega materiala

    Rezultati meritev preliminarnih vzorcev bombažnih pletenin so zbrani v preglednici 4 - 1.

    Karakteristike teh vzorcev so podrobneje opisane v poglavju 3.1.1. Pred pričetkom

    merjenja pretočnega potenciala smo vzorce predhodno potopili v deionizirano vodo, kateri

    smo izmerili prevodnost in temperaturo čiste deionizirane vode in deionizirane vode po 15

    minutah namakanja vzorca. Iz sledeče preglednice vidimo, da se prevodnost vode poveča

    po 15 minutah namakanje vzorca v njej. Iz tega lahko sklepamo, da vzorec pusti nekaj

    sledi oz. sestavin, ki so v materialu, v vodi in pri tem se poveča prevodnost vode. Med

    merjenjem pretočnega potenciala se vzorec večkrat spira z elektrolitom. S tem pride tudi

    do odnašanja določenega deleža (odvisno od vrste materiala in nanosov raznih kemikalij

    na material) sestavin, ki so v materialu. Namen spremljanja prevodnosti je bil vzpostaviti

    konstantne pogoje vzorcev med merjenjem pretočnega potenciala. Pri veliki spremembi

    prevodnosti (∆κ ≥ 4 µS/cm) vzorec ni primeren za izvajanje meritev v SurPAAS aparaturi. Preglednica 4 - 1 nam pod