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
Top Related