Institut für Textilchemie I T C Denkendorf __________________________________________________________ Schlussbericht für die Zeit von 1999 -2002 BMBF - Förderkennzeichen: 0339953 / 5 „Verbesserung der aerodynamischen Stückveredlung hinsichtlich Chemikalieneinsatz und Energiebilanz“ ( Teilvorhaben ) I T C Sachbearbeiter: Institut für Textilchemie Dr. D. Bechter Körschtalstraße 26 Dipl.-Ing. G. Kurz 73770 Denkendorf, den 28. 08. 2002
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Institut für Textilchemie I T C - Cleaner Production · Persoftal L 3000 ml 3000 ml 3000 ml Dispergator SMS 3000 ml 3000 ml 4000 ml Ludigol AR 1000 ml 1000 ml Red. Nachreinigung
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Institut für Textilchemie I T C Denkendorf __________________________________________________________
Schlussbericht
für die Zeit von 1999 -2002
BMBF - Förderkennzeichen: 0339953 / 5
„Verbesserung der aerodynamischen Stückveredlung hinsichtlich
Chemikalieneinsatz und Energiebilanz“
( Teilvorhaben )
I T C Sachbearbeiter: Institut für Textilchemie Dr. D. Bechter Körschtalstraße 26 Dipl.-Ing. G. Kurz 73770 Denkendorf, den 28. 08. 2002
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Schlussbericht für die Zeit von 1999 -2002
Zuwendungsempfänger:
Institut für Textilchemie
Körschtalstraße 26
73770 Denkendorf
Förderkennzeichen:
BMBF - 0339953 / 5
Vorhabenbezeichnung:
Verbundprojekt: Integrierter Umweltschutz in der Textilindustrie
Teilvorhaben: Verbesserung der aerodynamischen Stückveredlung hinsichtlich
Chemikalieneinsatz und Energiebilanz
Laufzeit des Vorhabens:
01.11. 1999 – 30.04.2002
Berichtszeitraum:
01.11. 1999 – 30.04.2002
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1. Einleitung
Die Naßveredlung von Webwaren und vor allem Maschenwaren in Strangform stellt
eine bedeutende Verfahrensweise der Textilveredlung dar. In Deutschland werden
etwa 80% aller diskontinuierlichen Färbungen so durchgeführt. Um den
ökonomischen und ökologischen Anforderungen Rechnung zu tragen (1-5), muß das
Flottenverhältnis, d.h. die Menge an Behandlungsflotte pro kg Ware, so klein wie
möglich gehalten werden (6). Eine Färbemaschine, in der diese Anforderung
konsequent umgesetzt ist, ist der sog. “Airflow” der Firma THEN (7-11). Sie beruht
auf dem Prinzip des Warentransports durch einen Gasstrom (i.a. Luft), dem über
Düsensysteme fein zerstäubt Farbstoff- und Hilfsmittellösungen zugeführt werden.
Das Airflow-System weist folgende Vorteile auf:
§ kurze Färbezeiten,
§ aufgrund der kurzen Flottenverhältnisse Einsparungen von Wasser und
Wärmeenergie,
§ Einsparungen von Salz, Chemikalien und Hilfsmitteln.
Es gibt aber auch Veredlungsschritte, bei denen ein solches aerodynamisches
System Nachteile hat. Dies ist immer dann der Fall, wenn in der Flotte reduzierende
Bedingungen eingestellt bzw. eingehalten werden müssen, weil durch die große
Oberfläche und die Verwirbelung der Flotte mit dem Luftstrom ständig Luftsauerstoff
als Oxidationsmedium zugeführt wird. Relevant wird dies insbesondere bei der
reduktiven Nachreinigung von Polyester-Dispersionsfärbungen (12, 13) sowie bei der
Küpenfärbung von Baumwolle.
Ziel des Projekts war es daher, den Luftstrom, der dem Warenantrieb dient, durch
einen reinen W a s s e r d a m p f s t r o m zu ersetzen. Dazu sollten die
grundlegenden verfahrenstechnischen und textilchemischen Voraussetzungen und
Konsequenzen erarbeitet werden. Die Untersuchungen sollten vor allem auf die
reduktive Nachreinigung von Polyester fokussiert werden, wobei Wert auf einen
systematischen Vergleich der Verfahrensweisen (mit Luft bzw. mit Dampf) gelegt
wurde.
Im 1. Teil der Arbeiten musste einerseits die Airflow-Versuchsanlage aufgebaut ,
d.h. mit den zahlreichen beschriebenen Meßsystemen ausgerüstet werden. Auf dem
so vorbereiteten aerodynamischen Färbesystem wurden dann Pilotversuche
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durchgeführt, deren wichtigstes Ziel es war, den Nachweis vor allem für die
Chemikalieneinsparung beim Einsatz von luftfreiem Reindampf als
Warentransportmedium zu erbringen. So war bis jetzt nicht bekannt, in welchem
Umfang bei der reduktiven Nachbehandlung der Verbrauch von Hydrosulfit und
Tensiden verringert werden kann. Durch gezielte Auswahl der Parameter wurden
daher im 1. Arbeitsabschnitt hauptsächlich zu dieser Fragestellung Informationen
und Beweise erarbeitet. Die Koordinierung der Arbeiten übernahm das I T C.
Erst wenn die Einsparung an Chemikalien und Hilfsmitteln durch das neue
aerodynamische Veredlungsverfahren mit dem Airflow 225 bewiesen ist, können im
2. Teil der Arbeiten weitere Versuchsbedingungen modifiziert werden und das
Kurzflottern-Färbeverfahren ggf. auch auf andere Farbstoffe und Substrate
ausgedehnt werden. Außerdem soll eine weitere wesentliche Optimierung der
Veredlungsverfahren für Polyester-Maschenware und für Polyester-Gewebe
erfolgen. Durch die Anwendung von Wasserdampf und durch die Aufrechterhaltung
des Warenlaufes auch ohne Flotteninjektion (injektionsfreier Warenlauf) soll die
Möglichkeit der Zusammenlegung von getrennten Behandlungen, wie Waschen,
Fixieren und Färben im gleichen Maschinenaggregat nachgewiesen werden. Als
weiteres Ziel in dieser 2.Phase des Projekts war geplant, eine stuhlrohe Ware mit
den entsprechenden Belastungen an Spinnpräparationen und Schlichten zunächst in
der Maschine bei ca. 50°C zu waschen und ohne Unterbrechung des Warenlaufs im
Wasserdampfstrom und ohne Flotteninjektion auf eine Temperatur gleich oder
oberhalb der Naßfixiertemperatur des Dispersionsfarbstoffes zu bringen. In dieser
Behandlungsphase soll eine Stabilität des Flächengebildes der Stückware erreicht
werden, so daß keine permanenten Falten entstehen können. Durch die beim
Warenumlauf auf die Ware in Längs- und Querrichtung abwechselnd einwirkenden
Kräfte wird eine bessere Formstabilität der Ware und ein angestrebtes
Flächengewicht erreicht. Außerdem wird der Griff der Ware günstig beeinflußt. Das
Programm der zweiten Phase ist deshalb so interessant, da Trocken- und
Naßveredlungen kombiniert werden und sich erhebliche Kosteneinsparungen durch
einen eventuell nicht erforderlichen Fixiervorgang eines Polyester-Gewebes
ergeben.
Die Koordinierung des 2. Arbeitsabschnitts sollte das I T C übernehmen.
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Die Verbundpartner übernahmen folgende Forschungsarbeiten als Teilvorhaben:
Die Firma THEN, die die wesentlichen Patente auf dem Gebiet der aerodynamischen
Veredlungstechniken hält und entsprechende Maschinen baut und vertreibt, führte
die notwendigen konstruktiven Maßnahmen zur Ermöglichung des Dampfbetriebs
durch und installierte die notwendige Meßtechnik, insbesondere für die folgenden
Messungen:
- Temperatur der Gas- und Flottenströme ( ggf. des Substrats )
- Warengeschwindigkeit
- Flottenkonzentrationen
- Druckverhältnisse in den Gas- und Flottenkreisläufen
- Gaszusammensetzung (Sauerstoff-Sonde)
Die FH / OJT verfügt über die aerodynamische Stückfärbemaschine THEN-Airflow
225 und stellte diese Anlage im Auftrag von THEN dem Verbund für die Zeit des
Forschungsprojektes zur Verfügung. Auf dieser Maschine wurden die geplanten
Pilotversuche durchgeführt. Die FH / OJT übernahm dabei vornehmlich die
Bedienung und Handhabung sowie den Umgang mit dieser technischen Anlage, so
daß eine kontinuierliche Durchführung der Pilotversuche gewährleistet war.
Das Institut für Textilchemie I T C erarbeitete die Versuchskonzeption und führte die
textilchemischen, wissenschaftlichen Untersuchungen und Messungen durch sowie
die Auswertung der Ergebnisse. Der Schwerpunkt der wissenschaftlichen
Untersuchungen war es, die textilchemischen Voraussetzungen zu erarbeiten, um
den Luftstrom, der dem Warenantrieb dient, durch einen reinen Wasserdampfstrom
zu ersetzen . Dazu wurden die Untersuchungen auf die r e d u k t i v e N a c h r e i -
n i g u n g von Polyesterfärbungen mit Dispersionsfarbstoffen konzentriert , wobei in
systematischen Arbeiten der Unterschied zwischen der lufthaltigen und der luftfreien
Verfahrensweise im reinen Dampfstrom ermittelt wurde. Voraussetzung für diese
vergleichenden Untersuchungen war die exakt gleiche Durchführbarkeit der
Färbeversuche sowie der reduktiven Reinigung. Dazu dienten u.a. die zahlreichen
Meßmöglichkeiten für die Temperaturen, Gasströme und Injektionsvolumina, die in
dem Airflow-System des Verbundpartners installiert wurden. Für die Untersu-
chungen wurde von der empfohlenen Originalrezeptur bei Einsatz von Luft als
6
Transportmedium ausgegangen, wobei folgende Parameter systematisch untersucht
wurden:
- Vorwaschzeit
- Reduktionsmittelkonzentration - Behandlungszeit - Transportmedium - Nachwäsche Das Untersuchungsergebnis wurde durch die Farbtiefe und die Farbechtheiten
charakterisiert.
Literatur
(1) Christ, W., Deutscher Färberkalender 81 (1977), 203-214
(2) Christ, W., tpi 35 (1979), 962-964; 1205-1232
(3) Christ, W., Reuther, A., Melliand Textilber. 60 (1979), 868-875
(4) Christ, W., von der Eltz, H.-U., Reuther, A., Textilveredlung 18 (1983), 201-206
(5) THEN-Firmenschrift vom 3.5.1982
(6) Von der Eltz, H.-U., Christ, W., Internat. Textilbull. Veredlung 31(1985)27-41
(7) Quas, H., Christ, W., tpi 42 (1986), 666-674
(8) Christ, W., Thamburaj, V., Adrion, R., tpi43 (1987), 1108-1118
(9) Christ, W., von der Eltz, Melliand Textilber. 69 (1988), 748-754
(10) Christ, W., Textiltechnik 38 (1988), 31-35
(11) Beck, K., Christ, W., Dörfer, H., Stetter, B., Melliand 80 (1999), 60-67
(3) Aufheizen auf 85°C, Behandlungszeit 20 min (4) Warm spülen, ablassen Färben mit Luft (5) Kessel füllen, Temp. 50-60°C, Hilfsmittel- und
Farbstoffzusatz (6) Aufheizen auf 90°C mit 3°/min (7) Aufheizen auf 133°C mit 2°/min (8) Färbezeit 30-60 min (9) Abkühlen auf 70°C, mustern und ablassen Färben mit Dampf (10) Kessel füllen, Temp. 50-60°C, Hilfsmittel- und
(11) Aufheizen auf 90°C mit 6°/min, 6 Minuten bei 90°C (12) Aufheizen auf 110°C mit 2°/min (13) Aufheizen auf 133°C mit 6°/min (14) Färbezeit 30 min (15) Kessel ablassen mit 133°C Nachreinigung : (16) Kessel füllen, Temp. 50-60°C, Hilfsmittelzusatz
(17) Aufheizen auf 80°C , Behandlungszeit 20 min (18) Warm spülen, ablassen
2.2 Das Substrat
Als Substrat wurden für alle Versuche industriell hergestellte Maschenwaren
(Pikee) aus 100 % Polyester eingesetzt:
75 % Trevira 76/1 (Vorderseite)
25 % Trevira 350 (Rückseite)
2.3 Die Färberezepturen
Es wurden die in der Praxis angewendeten Verfahren und Rezepte sowie die
vom Maschinenbauer als optimal angegebenen Maschinenbelegungen von
180 kg Maschenwaren je Färbepartie eingesetzt.
Für die verschiedenen Färbeversuche auf den PES-Maschenwaren wurden die
in den folgenden Tabellen aufgeführten Färberezepturen eingesetzt:
Tabelle FB-1 zeigt 3 Färberezepturen für die Blaukombination Royal 66
sowie die Rotkombination Rot 35 , da diese Färbungen in hoher Konzentration
zu Echtheitsproblemen führen können.
Tabelle FB-2 zeigt Farbstoffe für Grün- , Rot- und Blau-Kombinationen, die
für die Färbeversuche auf den PES-Maschenwaren eingesetzt wurden.
In der Tabelle FB-3 sind die Hilfsmittel für die Pilot-Färbeversuche nach dem
aerodynamischen Prinzip zusammengefasst.
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Tabelle FB-1: Färberezepturen 1-3 für die Blaukombination Royal 66 sowie
Hilfsmittel Tinosan AM 5% 5% 5% Eulysin S 400 g 400 g 600g Alviron OG 3000 ml 3000 ml 3000 ml Persoftal L 3000 ml 3000 ml 3000 ml Dispergator SMS 3000 ml 3000 ml 4000 ml Ludigol AR 1000 ml 1000 ml
Red. Nachreinigung Cyclanon ECO 2500 ml Hydrosulfit 3500 g Natronlauge 3500 ml
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Tabelle FB-2: Farbstoffe (Rezept 4-8) für Grün-, Rot- und Blau-Kombinationen
Rezept Farbe Farbstoff %-Farbst.
4 Grün Resolinblau FGLS 1,40
Palanilgelb 6GN 0,23
Resolinrot F3GS 2,50
5 Rot Resolinrot F3BS 0,25
Palanilgelb 6GN 0,20
Dianixmarine ER-FS 200 1,80
6 Marine Dianixgelbbraun HRSL 150 0,50
Terasilviolett BL 0,75
7 Blau Resolinblau FGLS 1,60
8 Gelb Palanilgelb 6GN 2,00
Tabelle FB-3: Hilfsmittel für die Pilot-Färbeversuche
Hilfsmittel Tinosan AM 5% Eulysin S 400 g Alviron OG 3000 ml Persoftal L 3000 ml Dispergator SMS 3000 ml Ludigol AR 1000 ml
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2.4 Die reduktive Nachreinigung
In der Tabelle FB-4 sind die Bedingungen der reduktiven Nachreinigung bei
den Versuchsfärbungen mit den in der Tabelle FB-1 aufgeführten
Farbstofkombinationen zusammengefasst:
§ Die Versuche 1-3 wurden nach den konventionellen Färbeverfahren mit Luft
als Warentransportmedium durchgeführt. Die reduktive Nachreinigung erfolgte
mit Cyclanon ECO, ein ökologisch offenbar besser verträgliches
Ersatzprodukt für das in der Praxis überwiegend eingesetzte Hydrosulfit.
§ Die Versuche 4-9 wurden mit der neuen Verfahrenstechnik durchgeführt, bei
der der Warentransport mittels Dampf erfolgte. Bei dieser Versuchsreihe
wurde – entsprechend dem Originalrezept für die Luft-Färbung - Hydrosulfit
und Natronlauge für die Nachreinigung eingesetzt. Die Reduktionsmittel-
menge wurde in diesen Versuchen stufenweise bis Null reduziert.
§ Die Versuche 10 u. 11 sollten zeigen, ob sich das Dampfverfahren auch auf
andere Farbstoffmischungen übertragen lässt bzw. für andere Färbungen
eignet.
Tabelle FB-4: Rezepturen der reduktiven Nachreinigung der
Polyesterfärbungen (Färberezepte R 1-3)
Nr. Datum Re
zept Farbe Verfahren Reduktive Nachreinigung mit %
Cyclanon
ECO
Hydro- sulfit
Natron- lauge
Reduk- tionsm.
1 12.07.00 R1 Royal 66 Luft 2500 ml 100 2 18.10.00 R1 Royal 66 Luft 2500 ml 100 3 19.10.00 R1 Royal 66 Luft 2500 ml 100 4 26.10.00 R2 Royal 66 Dampf 3500 g 3500 ml 100 5 27.10.00 R2 Royal 66 Dampf 1750 g 1750 ml 50 6 02.11.00 R2 Royal 66 Dampf 1050 g 1050 ml 30 7 03.11.00 R2 Royal 66 Dampf 750 g 750 ml 20 8 14.12.00 R2 Royal 66 Dampf 350 g 350 ml 10 9 21.11.00 R2 Royal 66 Dampf 0 g 0 ml 0
10 22.11.00 R3 Rot 35 Dampf 0 g 0 g 0 11 13.12.00 R3 Rot 35 Dampf 0 g 0 g 0
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Tabelle FB-5: Reduktive Nachreinigung der Polyesterfärbungen (Rezepte R 4-8)
2.5 Die Farbechtheiten
2.5.1 W a s c h e c h t h e i t
Die Waschechtheitsprüfung wurde bei 60°C nach ISO 105 C06 C2
durchgeführt:
- nach dem Färben
- nach der Endausrüstung
In der Abbildung FB-2 sind die Waschechtheiten der verschiedenen
Dispersionsfärbungen mit Royal 66 auf der Polyester-Maschenware dargestellt:
Die Säulenreihen stellen die Anschmutzung der Begleitgewebe dar, deren
Intensität mit dem Graumaßstab als Echtheit bewertet wird.
E r g e b n i s :
(1) Auf Baumwolle, Viskose und Wolle erfolgt keine Anschmutzung (hintere weisse
Säulenreihe).
(2) Merkliche Anschmutzung erfolgt auf Polyester (PES)-Gewebe (blaue Säulen)
Rezept NR. Farbe Verfahren Red. Nachreinigung mit %
R Hydrosulfit Natronlauge Reduktionsm. 12 Grün Dampf 0 g 0 ml 0
4 13 Grün Dampf 700 g 700 ml 20 14 Grün Dampf 1050 g 1050 ml 30 15 Rot Dampf 0 g 0 ml 0
5 16 Rot Dampf 700 g 700 ml 20 17 Rot Dampf 1050 g 1050 ml 30 18 Marine Dampf 0 g 0 ml 0 6 19 Marine Dampf 700 g 700 ml 20 20 Marine Dampf 1050 g 1050 ml 30
7 21 Blau Dampf 0 g 0 ml 0 22 Blau Dampf 700 g 700 ml 20
8 23 Gelb Dampf 0 g 0 ml 0
14
(3) Starke Anschmutzung erfolgt auf Polyamid (PA)-Gewebe (vordere gelbe
Säulenreihe)
(4) Die Waschechtheit der herkömmlich nach dem Stand der Technik mit Luft
gefärbten PES-Maschenwaren ist in der 1. hintereinander stehenden
Säulenreihe (gelb/blau/weiss) gezeigt. Hierbei erfolgte die reduktive
Nachreinigung mit dem biologisch abbaubaren organischen
Reduktionsmittel Cyclanon ECO (BASF). Die Reduktionsmittelmenge
entspricht der herkömmlich notwendigen Menge an Hydrosulft. Die Echtheit
(gegen PES) liegt bei 4-4,5
Abb. FB-2: Waschechtheit von Dispersionsfärbungen auf PES-Maschenwaren
(5) Bei den Reindampf-Färbungen wurde für die reduktive Nachreinigung die dem
Stand der Technik entsprechende Hydrosulfitkonzentration eingesetzt (
�100%, s. Tabelle FB-4). Die Waschechtheit dieser der herkömmlichen
Lufttechnologie entsprechenden Reindampf-Färbung ist in der 2. hintereinander
0
1
2
3
4
5
Was
chec
hth
eit
CyclanonECO
100% 50% 30% 20% 10% 0%
PolyamidPolyester
Baumwolle
Reduktionsmittel
Waschechtheit von PolyesterfärbungenFärbeverfahren: D a m p f
Färbung: Royal 66
Luft
15
stehenden Säulenreihe dargestellt. Sie entspricht etwa der herkömmlichen
Echtheit, sowohl gegen PES als auch gegen PA.
(6) Mit abnehmender Reduktionsmittelmenge nimmt die Waschechtheit der
Reindampf-Färbungen deutlich zu, und zwar sowohl gegen PES als auch
gegen PA. Beim Einsatz von 50 % Reduktionsmittel wird die Echtheitsnote
5 erreicht. Diese hohe Echtheit der Dampf-Färbungen bleibt erhalten bis
zu einer Reduktionmittelmenge von ~10 % der Ausgangsmenge, sowohl
gegen PES als auch gegen PA .
Abb. FB-3: Waschechtheit von Dispersionsfärbungen mit Royal 66 und Rot 35
auf PES-Maschenwaren ohne reduktive Nachreinigung
(7) Unterhalb von 10 % Reduktionsmittel nimmt die Waschechtheit der Färbung mit
Royal 66 stark ab und erreicht gegen PES Noten um 3.
Noch wesentlich schlechter ( 1-2 ) werden die Echtheiten gegen PA.
Um zu prüfen, ob das gefundene Ergebnis auch für andere Färbungen gültig ist,
wurde die Waschechtheit der Rotfärbung mit Rot 35 untersucht.
0
1
2
3
4
5
Wa
sc
he
ch
the
it
Wolle Viskose Polyester Polyamid Baumwolle
Färbung: Royal 66
Färbung: Rot 35
Waschechtheiten von Polyesterfärbungen Färbeverfahren: Dampf
Ohne reduktive Nachreinigung
Begleitgewebe
16
In der Abbildung FB-3 ist die Waschechtheit der Rotfärbung und der Blaufärbung
ohne reduktive Nachreinigung gegenübergestellt.
E r g e b n i s :
(8) Die Abbildung zeigt, dass die im Reindampf mit dem Rotfarbstoff Rot 35
gefärbten PES-Maschenwaren auch ohne reduktive Nachreinigung die höchste
Waschechtheitsnote erreichen.
In der Tabelle FB-6 sind die Waschechtheiten weiterer Dispersionsfärbungen
(Spalte 2) auf der Polyester-Maschenware nach der reduktiven Nachreinigung mit
verschiedenen Konzentrationen(Spalte 3) dargestellt. Die Spalten 4, 5, 6, 7 stellen
die Anschmutzung der Begleitgewebe dar, deren Intensität mit dem Graumaßstab