Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2864/Fachgruppe Textilforschung
Herausgegeben vom Minister fur Wissenschaft und Forschung
Dr. rer. nat. Helmut Krtif3mann
Chern. -lng. (grad.) Horst Ertl
Dipl. -lng. Miomira Stefanov
Waschereiforschung Krefeld e. V.
Untersuchungen tiber den Einfluf3
des Flottenaustausches in Textilien
auf die Entfernung wasserloslicher Substanzen,
Pigmente und Fette
in Abhangigkeit von Flottenparametern
\Vestdeutscher Verlag 1 979
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
KrUssmann, Helmut:
Untersuchungen tiber den Einfluss des Flotten
austausches in Textilien auf die Entfernung
wasserloslicher Substanzen, Pigmente und Fette
in Abhangigkeit von Flottenparametern / Helmut
KrUssmann ; Horst Ertl ; Miomira Stefanov. -
Opladen : Westdeutscher Verlag, 1979.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 2864 : Fachgruppe Textil
forschung)
ISBN 978-3-531-02864-4 ISBN 978-3-322-88461-9 (eBook)
DOl 10.1007/978-3-322-88461-9
NE: Ertl, Horst:; Stefanov, Miomira:
© 1979 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
INHALT
o.
Zusammenfas sung
1. Wissenschaftliche Fragestellung 3
2. Allgemeine Grund1agen 4
3. Stand der Forschung 10
4. Prob1emstellung und prinzipieller Losung 19
weg
5. Versuchsdurchftihrung und Ergebnisse 20
5. 1 Versuchsbedingungen 20
5. 1. 1 Auswah1 der Ver suchsmater ialien 20
5. 1.2 Untersuchung der Stromungsbedingungen in 23
Was chITlas chinen
5. 1. 3 Konstruktion der Strbmungsapparatur 24
5. 1. 3. 1 Anforderungen an die Strbmungsapparatur 24
5.1.3.2 Aufbau und Funktion 25
5.1.4 Versuche mit wasserlbslicheITl Schmutz 27
5. 1. 5 Versuche mit dispergierbarem Schmutz 28
5.2 Ergebnisse 31
5.2. 1 Auswaschbarkeit von Natriumch10rid 31
5.2.2 Entfernung un1bslicher SchmutzkoITlponenten 33
5.2.3 Einflui3 der StroITlungsgeschwindigkeit auf 40
die Depos ition von Pi gmenten
6. ZusamITlenfassende Diskussion 46
7. Danksagung 57
8. Literatur 58
9. Abbi1dungen 66
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O. Zusammenfassung
1m Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde der Einflul3
der Durchstrl>mung auf die Auswaschbarkeit wasserll>slicher
Verbindungen sowie die Entfernbarkeit dispergierbarer Ver
bindungen von Baumwolle und Polyester /Baumwolle untersucht.
Zusa:tzlich wurde die Deposition und ihre Abha:ngigkeit von der
Flottenstrl>mung studiert. Hierzu wurde eine spezielle Durch
strl>mungsapparatur konstruiert, die eine Variation der Strl>
mungsbedingungen innerhalb der vorher filmtechnisch erfal3ten
Randbedingungen in Trommelwaschmaschinen erlaubte.
Erga:nzend wurden zur Abgrenzung des Einflusses weiterer
Kriterien der Waschmechanik erga:nzende Versuche der Hand
wasche und im Launder-O-meter unter verschiedenen meeha-
nischen Beanspruehungen durchgefiihrt.
Die erarbeiteten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammen
fassen:
1. Die Auswaschkurven wasserll>slicher, nicht mit der Faser
in Wechselwirkung tretender Verschmutzungen folgen
einer e-Funktion. Die Diffusion innerhalb des Garnbe-
reichs ist gesehwindigkeitsbestimmend. Bereits geringe
Durchstrl>mungs ge s chwindigkeiten {weit unter halb der in
T rommelwas ehmas chinen tibliehen} geniigen, urn inner
halb der wasehtechniseh und verfahrenstechnisch iiblichen
Behandlungszeiten einen maximalen Austausch zu erreichen.
2. Pigment!Fett_Anschmutzungen werden oberhalb Flotten-
-1
strl>me.ngen von 1 em s nur geringfiigig hinsiehtlich
ihrer Auswasehbarkeit durch die Durchstrl>mung beein
flul3t; Der Effekt ist besonders gering bei Polyester!
Baumwolle. Temperatur und direkte mechanische Bear
beitung sind von entscheidenderer Bedeutung.
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Die Ursache fur das unterschiedliche Verhalten von Baum
wolle und Polyester/Baumwolle ist mit ziemlicher Sicher
heit auf das Quellverhalten der Baumwolle und die energe
tis ch bedingte verstarkte Redepos ition bei Synthesefas ern
zuruckzufuhren.
3. 1m Gegensatz zu den theoretischen Vorstellungen wird die
Deposition durch die Stromungsgeschwindigkeit nur propor
tional der durchfliessenden Flottenmenge bestimmt.
Orthokinetische Koagulation spielt offensichtlich keine
Rolle, ebensowenig die mechanische Abfiltration, sofern
effektiv dispergiert wurde. Eine zusatzliche mechanische
Bearbeitung verringert die Redeposition. Als mogliche
Ursache hierfur wird die Bildung einer intermediaren
Stufe postuliert, die dem aus der Literatur bekannten sekun
daren, fur die Flokkulation von Pigmenten verantwortlichen
Minimum der potentiellen Energie entspricht. Agitation
fuhrt zur Deflokkulation und zur Verminderung der Konzen
tration der aktiven Spezies.
Eine weitergehende Deutung bedarf einer umfassenden Untersu
chung der mechanischen Vorgange im Mikrobereich der Gewebe,
Garne und Fasern.
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1. Wissenschaftliche Fragestellung
Zur Verbesserung der Entfernung der innerhalb des Faserver
bandes und auf der Textiloberflache befindlichen Schmutzkom
ponenten beim Waschproze13 stehen neben dem Einsatz oberfla
chenaktiver Substanzen und einer Steigerung der Reaktionstem
peratur und -zeit auch eine Erhohung der Waschmechanik zur
Verftigung. Exakte Angaben tiber den Einflu13 verschiedener Ver
fahrenspararneter auf die Ges chwindigkeit und die Gleichgewichts
lage der Schrnutzablosung konnen den bisher veroffentlichten
Arbeiten nicht entnornrnen werden.
Uber den Mechanisrnus der physikochernischen Grundprozesse
und deren Beeinflussung durch Tenside und Waschhilfsmittel
liegen aus Untersuchungen an Modellsysternen und aufgrund theo
retischer Uberlegungen einige Vorstellungen yore Eine Uberprti
fung dieser z. T. wegen der unters chiedlichen Randbedingungen
widersprtichlichen Aussagen und ihre Ubertragung auf reale
Waschsysterne in Trornrnelwaschrnaschinen wurde bisher nur in
Ansatzen und mit begrenztem Erfolg vorgenommen. Die Ursache
liegt in der komplexen Wechselwirkung der einzelnen Waschfak
toren, die eine Beschreibung mittels einfacher Systeme unmoglich
macht.
Es ist daher sinnvoll, den Waschvorgang unter Berticksichtigung
der Randbedingungen realer Waschprozesse in einzelnen Teil
schritten zu untersuchen. Hierbei sollte das Hauptgewicht zu
nachst auf den Einflu13 der rnechanischen Faktoren gelegt werden.
Hiertiber liegen bisher die geringsten Kenntnisse vor. Zurn weite
ren sind es gerade die abweichenden Bedingungen in der Wasch
mechanik, die eine Ubertragung der zahlreichen an Modellsyste
men gewonnenen Ergebnisse auf Waschprozesse in der Praxis
unrnoglich machen.
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Diese Arbeit stellt einen ersten Teilschritt zur Untersuchung
des Mechanismus des Waschprozesses dar, die im Rahmen
eines Uingerfristigen Forschungsprojekts vorgesehen ist.
2. Allgemeine Grundlagen
Der Reinigungsvorgang kann aufgrund der ablaufenden Elemen
tarprozesse und aufgrund der raumlichen Dimensionen, in
denen sie ablaufen, in drei Stufen aufgeteilt werden (1).
1. Vorgange im Molekularbereich
Die wesentlichen Vorgange befassen sich mit elektrischen
oder Van der Waals' schen Kraften zwischen Schmutz und
Faser und deren Uberwindung. Von Bedeutung sind hierbei
insbesondere die physikalisch-chemischen Funktionen der
Tenside und anderer Waschhilfsmittel, sowie auch die
thermische Energie. Die Flussigkeitsgeschwindigkeiten,
hervorgerufen durch die Waschmechanik sind in diesem
Bereich praktisch gleich Null. Der Beitrag von mechani
schen Effekten wie z. B. durch Faserdeformation, Gasent
wicklung beim Sieden etc. ist evtl. hoch, kann jedoch bisher
nur aufgrund von Spekulationen abgeschatzt werden.
2. Vorgange im Bereich der Faseroberflache (Grenzschicht)
Hauptvorgange sind Vorgange des Massentransports durch
Diffusion in einem dunnen Fltissigkeitsfilm, oder einer
Grenzschicht nahe der Textiloberflache. Innerhalb dieser
Schicht existieren definierte Stromungsgradienten. Der An
und Abtransport von Waschchemikalien bzw. von Schmutz
innerhalb dieser Schicht stellt eine wesentliche Grenzbedin
gung fur die Reinigungskinetik dar. Die Flottenstromung
und als deren Voraussetzung die Waschmechanik tragt durch
Anderung des Konzentrationsgradienten und im Bereich
turbulenter Stromung durch direkte Impulsubertragung zu
den ablaufenden Vor gangen bei.
3. Vorgange im Hauptteil der Flotte (bulk phase)
Die wesentlichen Vorgange konnen als Beitrag zur Verdun
nung der Schmutzflotte in der Grenzschicht sowie einer
Nachlieferung sorptiv entfernter Waschchemikalien gesehen
werden. Die Mechanik und die Flottenstromung bewirken
lediglich einen Mischvorgang. Weiterhin erzeugen sie eine
Relativbewegung zwischen Flotte und Textil und Deforma
tionen des Textilguts selbst.
Die im Inneren der Flotte (bulk phase) ablaufenden Vorgange
durften nur von sekundarer Bedeutung fur die Kinetik der Schmutz
entfernung sein, und zwar nur insofern, als sie die unter 1 und
2 skizzierten Vorgange direkt beeinflussen.
KRETSCHMER (2) nimmt eine Einteilung in ebenfalls drei dis
krete Teilbereiche vor, in denen unterschiedliche Massentrans_
portmechanismen ablaufen. Siemtsprechen den vorher angefuhr
ten Stufen von SHORT (1). Der Autor unterscheidet:
A) Stoffablosezone
Hier werden Schmutzkomponenten in einen in der Wasch
£lotte transportfahigen Zustand versetzt (Losen, Disper
gieren etc, ).
B) Stoffuber gangs zone
Hier wird der Massentransport uberwiegend durch Diffusion
bewirkt, da in der fasernahen Grenzschicht konvektive
Transportmechanismen keine Rolle spielen.
C) Stoffa bfuhr zone
Hier bewirkt die konvektive Stromung den Massentransport.
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Der Einflull der Mechanik kann sich im Bereich der Grenz
schichten und an der Faseroberflache in grundsatzlich ver
schiedenen Elementarvorgangen bemerkbar machen. Einmal
durch eine Beeinflussung der Flottendurchstromung des Textil
guts, zum anderen durch lokale Faserdeformationen. Beide
Vorgange mussen getrennt untersucht werden, wenn gesicherte
Aussagen uber den Einflull der Waschmechanik auf die Kinetik
des Gesamtprozesses erhalten werden sollen.
Da bei der Deformation von Fasern Stromungen erzeugt werden,
die die Schmutzablosung beeinflussen konnen und damit die
Kenntnis des Stromungseinflusses auch hier eine Bedeutung
hat, ist es sinnvoll, im ersten Teilschritt zunachst einmal die
grundlegenden Abhangigkeiten der Schmutzentfernung von der
Flottenstromung zu klaren.
Unter idealen Bedingungen ist die Flussigkeitsbewegung laminar,
d. h. jeder Punkt der Flussigkeit fliellt mit einer konstanten
Geschwindigkeit, wobei in Richtung zur Wandung die Stromungs
geschwindigkeit stetig bis zur Wand mit einer hier existenten
fest anhaftenden unbeweglichen Flussigkeitsschicht abfallt. Ver
dunnungsvorgange senkrecht zur Stromungsrichtung konnen nur
durch Diffusion ablaufen. Beim Uberschreiten einer kritischen
Geschwindigkeit treten jedoch Wirbelbildungen und Turbulenzen
auf.
Charakteristisch fur turbulente Stromungen sind neben dem Auf
treten von Wirbeln und anderen makroskopischen Vorgangen
Geschwindigkeitsschwankungen mikroskopischer Fluidbereiche,
durch die zur Hauptstromungsrichtung orthogonale Teil-
strtlme uberlagert werden. Diese Gradienten tragen in der
turbulenten Kernzone ganz wesent·lich zum Stofft ransport bei.
Da die Fluktuationen wesentlich geringer zur Wand hin abneh
men als bei laminar en Stromungen, uben sie einen entscheiden
den Einflull auf die Grenzschicht aus, der allerdings einer
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streng mathematischen Erfassung nicht mehr zuganglich ist.
Ansatze zu einer experimentellen Erforschung der Vorg:lnge
wurden mit Hilfe der Messung elektrochemischer GrenzstrOme
an einer rotierenden Ringelektrode von HAMANN (8) gemacht.
Statistische Fluktuationen werden nicht nur durch hohe StrO
mungsgeschwindigkeiten, sondern auch durch StOrungen des
Stromungsprofils hervorgerufen. Derartige Storungen treten
aufgrund der strukturbedingten UnregelmaJ3igkeiten in Faser
verbanden auf.
Fur den Stoffubergang bei turbulenter StrOmung ergibt sich
fur eine ebene Platte aus der Reynoldsanalogie ein wesentlich
grOJ3erer EinfluJ3 der Stromungsgeschwindigkeit als bei lami
naren Zustanden.
Die diesen Berechnungen zugrundeliegende laminare Unter
schicht der turbulenten Grenzschicht wird von LIN et al (9)
bei Schmidtzahlen, die wesentlich uber eins liegen, d. h. bei
kleinen Diffusionskoeffizienten hinsichtlich ihrer Existenz be_
zweifelt, d. h. Wirbelballungen dringen bis zur Phasengrenze
vor. Hierdurch wird eine direkte hydrodynamische Beeinflus
sung von Vorgangen an der PhasengrenzfHiche wahrscheinlich.
Dies ist insbesondere fur die Entfernung von Pigmenten und
emulgierbaren Substanzen von Bedeutung, da der Mas sentrans
port uber die Diffusion bei dies en disper gierten Makroeinheiten
nur extrem langsam verlauft. Die Bewegungen der Wirbelballen
folgen den Gesetzen zufalliger Verteilungen, so daJ3 mathema.
tische Ansatze uber den Massentransport auf statistischer Basis
erfolgen mUssen.
1m Zusammenhang mit der Durchstromung kann das textile
Flachengebilde als ein poroses Haufwerk angesehen werden.
Fur den idealisierten Fall liegen hierzu Ergebnisse vor, dies
gilt ebenso fur den Fall der senkrechten Anstromung. Diese
