Мерсериза́ция — кратковременная обработка ткани концентрированным раствором едкого натра под натяжением на холоде с последующей промывкой её горячей и холодной водой. Повышает накрашиваемость ткани активными и прямыми красителями, предотвращает выцветание, повышает прочность, придаёт материалу шелковистый блеск. Считается, что мерсеризация улучшает показатели усадки тканей.
История Процесс был разработан в 1844 году Джоном Мерсером (John Mercer) из Грейт-Харвуд (Ланкашир, Великобритания), который обогащал хлопковые волокна гидроксидом натрия. Волокна набухали, так что разновидность процесса, использовавшаяся Мерсером, сокращала общий размер ткани и делала ткань прочнее и более легкоокрашиваемой. Процесс не был популярен, пока в 1890 году не был доработан до современного вида: хлопок растягивался во избежание уменьшения размеров, и автор идеи, Хорас Лоу, обнаружил, что волокна приобрели блеск.
Мерсеризация изменяет химическую структуру хлопкового волокна. Структура волокон переходит из состояния альфа-целлюлозы в термодинамически более благоприятную бета-целлюлозу. Мерсеризация приводит к набуханию клеточной стенки хлопкового волокна. Это приводит к увеличению площади поверхности и придаёт волокну блестящий видTextile Technology: Cotton/Kenaf Fabrics: a Viable Natural Fabric , P. Bel-Berger, et al. Journal of Cotton Science, 3, p. 60—70 (1999)..
Целью мерсеризации являются придание хлопковому волокну блеска и способности интенсивнее окрашиваться, а также увеличение его механической прочности. Сущность процесса заключается в обработке целлюлозных тканей или пряжи концентрированными растворами едкого натра (240—280 г/л) при температуре 16—20 °С под натяжением с последующей энергичной промывкой их горячей и холодной водой.
В результате этого процесса происходят химические, физико-химические процессы и структурные изменения: набухание целлюлозного волокна и проникание едкого натра сначала в аморфную, а затем и в ориентированную часть волокна; избирательное поглощение (сорбция) целлюлозой едкого натра, сопровождаемое частичным разрушением межмолекулярных водородных связей, повышение реакционной способности целлюлозы; увеличение благодаря набуханию площади поперечного сечения элементарного волокна и его объёма, увеличение размера пор внутри волокна: химическое взаимодействие едкого натра с целлюлозой происходит как экзотермическая реакция с образованием щелочной целлюлозы по схеме: (С6Н10О5)n + nNaOH+(C6H10O5-NaOH)n; образование алкоголята целлюлозы (С6Н3O4—ONa), по-видимому, за счёт взаимодействия щёлочи с вторичной гидроксильной группой, находящейся в а-положении по отношению к глюкозидной связи и обладающей более кислыми свойствами, чем группы — ОН простых спиртов; частичное разрушение морфологической структуры целлюлозы, а также структурные изменения макромолекул целлюлозы в результате гидролиза щелочной целлюлозы при взаимодействии с водой (природная целлюлоза частично переходит в гидратцеллюлозу).
Щелочная целлюлоза является непрочным соединением, она легко разрушается при промывке водой с образованием гидратцеллюлозы, не отличающейся по химическому составу от целлюлозы, но в то же время обладающей повышенной гигроскопичностью, более высокой реакционной способностью, что объясняется увеличением поверхности микромолекул волокна.
Число гидроксильных групп, реагирующих с щёлочью при мерсеризации, изменяется в зависимости от условий проведения процесса: концентрации NaOH, температуры, наличия добавок в мерсеризационной ванне.
Степень набухания волокна характеризует активность процесса мерсеризации, с понижением температуры степень набухания целлюлозы в растворе щёлочи увеличивается. Хлопковое волокно максимально набухает при температуре 8 °С в 12—14%-м растворе едкого натра; при температуре 25 °С — в 18%-м растворе едкого натра.
После мерсеризации хлопковые волокна приобретают более правильную цилиндрическую форму, стенки их набухают и утолщаются, канал становится уже. Волокна и ткань приобретают блеск, эластичность, повышенную гигроскопичность и восприимчивость к красителям.
При мерсеризации без натяжения наблюдается уменьшение ориентированной части макромолекул целлюлозы, благодаря чему происходит изменение размеров волокна (усадка). Волокно укорачивается, а диаметр его соответственно увеличивается. Вследствие утолщения волокна нити в тканях сближаются, ткань становится плотнее, а волокно — прочнее и эластичнее.
При мерсеризации в натянутом состоянии изменяется форма извитого хлопкового волокна. Волокно выпрямляется, физические изменения отражаются на оптических свойствах волокна и ткани: повышается блеск, приобретается шелковистость, сохраняемые при носке изделий. Кроме того, достигается повышенная сорбция и экономия красителей на 10—15 % при крашении в светлые тона и на 25—30 % при крашении в тёмные тона, волокна прокрашиваются более глубоко, и прочность окрасок становится более высокой.
Качество мерсеризованной ткани. Условия мерсеризации Качество исходного волокна существенно влияет на эффект мерсеризации. Длинноволокнистый хлопок, крученая двойная пряжа, ткани атласного переплетения приобретают лучший блеск, чем ткани полотняного переплетения. Кроме того, плотные одежные ткани приобретают особую добротность, а у некоторых тонких тканей (маркизет) ещё и улучшаются механические свойства. Натяжение при мерсеризации способствует активности межмолекулярного взаимодействия, что отражается на снижении способности волокон к набуханию, а физико-механические показатели волокна улучшаются.
Повышенная реакционная способность мерсеризованного волокна выражается в ускорении гидролиза целлюлозы под действием кислот и в понижении стойкости её к действию окислителей. Наряду с этим мерсеризованное волокно более устойчиво к свету и погоде, чем немерсеризованное.
Качество мерсеризованной ткани в значительной степени зависит от условий мерсеризации: концентрации щёлочи, температуры и длительности обработки, добавок ТВВ, степени натяжения ткани.
Хлопчатобумажные ткани обычно мерсеризуют растворами едкого натра концентрацией 225—300 г/л. Однако мерсеризацию при таких концентрациях едкого натра нельзя проводить охлаждёнными растворами, так как концентрированные растворы едкого натра становятся слишком вязкими и за короткое время не могут в достаточной степени пропитать волокно, степень усадки при этом снижается.
Наиболее приемлемой считается температура 15—18 °С, более высокая температура так же, как и более низкая (5—10 °С), отрицательно сказывается на эффекте мерсеризации. Длительность процесса обработки ткани при мерсеризации зависит от степени очистки ткани, оптимальным считается время 30—90 с, а для суровых тканей — не менее 2 мин.
При мерсеризации плотных одежных тканей содержание едкого натра снижают до 125—145 г/л, процесс ведут при температуре 20—25 °С. Такая обработка носит название полумерсеризации, а так как действие едкого натра на целлюлозу сопровождается, хотя и незначительным, повышением температуры раствора, пропиточные растворы едкого натра через змеевики внутри ванны охлаждают холодной водой, это необходимо обычно при мерсеризации суровых тканей.
Для усиления эффекта мерсеризации и лучшего использования едкого натра к растворам его добавляют смачиватели (ТВВ) типа сульфирола (8—0,5 г/л). Хлопчатобумажную ткань (батист, шифон, маркизет, сатины и другие) лучше всего мерсеризовать после расшлихтовки и щелочного отваривания.
Как известно, пропитывание концентрированными растворами едкого натра не только суровой, но и гидрофильной ткани является трудной задачей. В Венгрии разработан способ мерсеризации суровых тканей, согласно которому хорошее пропитывание ткани (в течение б с) достигается при предварительном нагревании её и применении горячего (температура 80 °С) раствора едкого натра. Затем ткань отжимают и быстро, в течение 5 с, охлаждают водой до температуры 15 °С, при этом едкий натр с ткани почти не удаляется. Далее ведут обычную обработку.
В Германии предложен способ, согласно которому ткань, нагретую до температуры 100 °С и выше, пропитывают в течение 5 с раствором едкого натра, нагретым до температуры 100 °С. Затем ткань отжимают до 100 % и под натяжением охлаждают в течение 5 с на цилиндрах, омываемых водой. В этих условиях для собственно мерсеризации достаточно 3—5 с.
Совмещение технологических процессов Совмещение технологических процессов является одним из путей повышения эффективности технологии облагораживания тканей, сокращения длительности обработки и уменьшения трудоемкости. С физико-химической точки зрения совмещение операций представляет большой интерес, так как позволяет осуществлять независимо протекающие селективные реакции. Например, в технологии беления совмещают операции отваривания и расшлихтовки, отваривания и беления, мерсеризации и отваривания, отбеливания и крашения.
В ИвНИТИ совместно с машиностроителями создана линия ЛМО-140 для совмещения мерсеризации и отваривания тканей под крашение в тёмные и средние тона (ткани — из крученой пряжи, поверхностная плотность — до 300 г/м²).
Была предложена поточная линия для мерсеризации, отваривания и беления хлопчатобумажных тканей. Суровые ткани без расшлихтовки поступают на валковую мерсеризационную машину, обрабатываются в течение 50—60 с щёлочью (23%-й раствор NaOH и 8—10 г/л ПАВ) при температуре 15—20 °С. Отжим ткани на выходе из промывной части машины составляет 80%-ное содержание едкого натра—3—5 %. Далее ткань поступает в пропиточную машину для обработки раствором, содержащим (г/л): едкого натра — 6—7, луфиброла KB — 10, леофена KB — 2, пирофосфата натрия — 3. После пропитывания и 100—130%-го отжима ткань обрабатывают в запарной камере насыщенным паром в течение 35—60 с при температуре 142 °С под давлением, промывают, кислуют, промывают и пропитывают белящим раствором, содержащим (г/л): перекиси водорода — 10, силиката натрия — 15, едкого натра (дополнительно к щёлочи, находящейся в силикате) — 2,5, ПАВ — 0,5. После отжима, как н в предыдущем случае, следует кратковременное запаривание.
В описанном способе последовательно сочетаются традиционные технологические обработки. Другой характер имеет технологическое совмещение процессов мерсеризации и беления, предложенное и осуществлённое ИвНИТИ. Способ реализован на агрегате для беления врасправку. Суровую хлопчатобумажную ткань пропитывают на плюсовке горячим раствором, содержащим (г/л): едкого натра — 180—210, анионоактивного препарата «Талка» — 5—10, 38%-го бисульфита натрия — 5. После отжима следует запаривание в течение 10 мин при температуре 100—101 °С, промывка, пропитывание щелочным раствором перекиси водорода, запаривание в течение 20 мин и снова промывка. Для уменьшения усадки по утку ткань перед поступлением на сушильные барабаны растягивают дуговыми ширителями.
Данный способ исключает деструктирующее действие концентрированных щелочных растворов на целлюлозу в присутствии кислорода воздуха, благодаря тому, что на ткани в процессе запаривания нет сорбированного кислорода (кислород удален в горячем растворе щёлочи, вскипающем на ткани в период нахождения в зрельннке). При запаривании ткани, пропитанной концентрированным раствором щёлочи, на ткани протекает экзотермическая реакция. В запарной камере (температура 100—101 °С) в кипящем растворе едкого натра температура на ткани достигает 107—108 °С. В этих условиях, как установлено специальными опытами, кислород удаляется полностью. При более низких температурах не удастся достигнуть полного удаления кислорода даже при введении восстановителей (бисульфита натрия). Баритовое число у тканей, обработанных но совмещённому способу, достигло таких же значений, как и у обычных мерсеризованных тканей (108—115 % у поплина). Показатели качества ткани (капиллярность, белизна, накрашиваемость красителями различных классов) были на хорошем уровне.
Мерсеризация при высокой температуре Мерсеризация при высокой температуре и формирование на этой основе специфических совмещённых процессов продолжает привлекать внимание исследователей.