В ряде отраслей промышленности большую роль играют процессы проклеивания и пропитки. Об этом уже говорилось при рассмотрении производства бумаги.
Эти процессы лежат в основе важных технологических операций в шинной промышленности, в производстве обувного и технического картона и в текстильной промышленности при изготовлении непромокаемых тканей.
В качестве пропитывающих и проклеивающих растворов, помимо латексов (которые уже теперь играют очень важную роль и весьма перспективны в будущем), применяются растворы различных смол, нафтенатов, канифольные клеи, растворы металлических мыл, водные дисперсии битумов и другие типичные коллоидные системы; исследование их свойств имеет большое значение для правильного ведения процесса проклеивания. Осаждение коллоидных частиц на волокне является следствием процесса коагуляции коллоидной системы. Различают несколько типов коагуляции. Слипание однородных коллоидных частиц, образующих хлопья и выпадающих в осадок, называется гомокоагуляцией. Слипание разнородных частиц в смесях называется гетерокоагуляцией.
М. Смолуховский, развивший в свое время теорию коагуляции коллоидных систем, рассматривает еще явление адагуляции, т. е. прилипания коллоидных частиц к чужеродной поверхности, например к стеклянной стенке сосуда. При этом Смолуховский ссылается на работы Перрена, доказавшего экспериментально, что частицы гуммигута в коллоидном растворе определенной концентрации не слипаются между собою и не осаждаются на стенках сосуда. Если раствор гуммигута слабо подкислить, то частицы, сталкивающиеся со стеклянной стенкой, остаются на ней, но слипания частиц между собою не наблюдается. Если подкислить раствор сильнее, то столкновение частиц друг с другом приводит к аггрегированию и выпадению хлопьевидного осадка.
В последнее время теория подобных процессов разрабатывается чл.-корр. АН СССР Б. В. Дерягиным. Проведенный им анализ процессов коагуляции показывает, что при сближении поверхностей, обладающих разноименными потенциалами, происходит притяжение этих поверхностей, в то время как при сближении поверхностей с потенциалами неодинаковой величины, но одинакового знака могут проявляться, в зависимости от расстояния, или силы отталкивания, или силы притяжения. Эта теория объясняет, почему прилипание коллоидных частиц, например к поверхности волокна или к стенкам сосуда, происходит раньше, чем слипание частиц между собою.
Согласно предложению Б. В. Дерягина, термин «гетерокоагуляция» следует применять в том случае, когда поверхность коагулирующих частиц различна (коагуляция смесей). Если частицы различаются по размерам и массе, то нужно применять термин адагуляция (например, коагуляция частиц дисперсии на стенках сосуда).
Процессы гетерокоагуляции и адагуляции имеют место также при внесении волокна в проклеивающую дисперсию. Как и следовало ожидать, природа волокна и степень его измельчения играют основную роль в этих процессах. Так, например, на кожевенном волокне, продубленном хромом, происходит быстрое осаждение частиц дисперсии, тогда как на волокнах растительного дубления это явление не наблюдается.
Для правильного ведения процесса проклеивания необходимо, чтобы тенденция к слипанию у частиц дисперсии была бы как можно слабее выражена, а процесс прилипания этих частиц к волокну протекал бы с возможно большей интенсивностью.
Величиной обратной скорости коагуляции является устойчивость коллоидной системы.
Н. П. Песков ввел понятия агрегативной и адсорбционной устойчивости, которыми широко пользуются технологи.
Под агрегативной устойчивостью понимается устойчивость системы по отношению к образованию агрегатов из частиц дисперсии при воздействии различных факторов. Адсорбционная устойчивость характеризует способность частиц прилипать и откладываться на чужеродной поверхности, внесенной в систему.
Однако следует заметить, что применение термина «адсорбционная устойчивость» является недостаточно обоснованным, так как можно говорить об адсорбции, т. е. связывании данной поверхностью молекул, а не коллоидных частиц.
Устойчивость коллоидных систем вообще является их важнейшей характеристикой, связанной с особенностями строения коллоидной частицы.
Важнейшие исследования в области устойчивости коллоидов проводились в последнее время Б. В. Дерягиным, П. А. Ребиндером и другими советскими учеными, а также зарубежными учеными — Кройтом и его школой.
Большую и в основном определяющую роль, как фактор устойчивости коллоидных систем, играет двойной электрический слой, образующийся на поверхности раздела коллоидной частицы и дисперсионной среды.
Еще Гельмгольц предположил, что на поверхности раздела соприкасающихся тел образуется двойной электрический слой. Впоследствии было показано, что двойной слой, образующийся на поверхности коллоидной частицы, является диффузным, т. е. размытым и способен сжиматься при действии электролитов.
Электролитами называются вещества, распадающиеся в водном растворе на заряженные частицы — ионы. Ионы могут обладать зарядом как положительного, так и отрицательного знака. Сжатие диффузной части двойного слоя происходит благодаря отталкиванию одноименных зарядов: наружной обкладки двойного слоя и ионов, введенных в дисперсию.
Заряд и потенциалы двойного слоя коллоидных частиц экспериментально определяются в результате исследования электрокинетических явлений, в частности электрофореза. Явление электрофореза впервые наблюдал русский ученый Ф. Рейсс, заметивший передвижение коллоидных частиц глины к положительному полюсу под действием электрического тока. Теория электрокинетических явлений в связи с зарядом и так называемым электрокинетическим потенциалом диффузного двойного слоя была развита рядом ученых: Гун, Штерном, А. Н. Фрумкиным и его школой.
Б. В. Дерягиным разработана теория агрегативной устойчивости коллоидных систем на основе расчета сил отталкивания, которые возникают при сближении двух сферических частиц, окруженных двойным электрическим слоем.
Вопросы устойчивости промышленных дисперсий, применяемых для проклеивания волокнистых материалов, разрабатывались рядом исследователей, в частности С. С. Воюцким и сотрудниками. Проклеивание картонов, волокон ткани и других материалов рассматривается С. С. Воюцким как процесс потери адсорбционной устойчивости коллоидной системой в присутствии проклеиваемого вещества.
Существуют различные методы, при помощи которых можно оказывать влияние на устойчивость коллоидной системы. Повышение устойчивости достигается применением стабилизатора, вещества, адсорбирующегося на поверхности частиц и препятствующего их слипанию. Стабилизирующим действием для ряда дисперсий обладают, например, мыла. Если защитная оболочка состоит из адсорбированных ионов, т. е. электрически заряженных частиц, то устойчивость обусловлена отталкиванием ионных оболочек, обладающих одноименными зарядами.
Добавлением тех или иных веществ, влияющих на устойчивость системы, можно регулировать процесс проклеивания. Большое значение в качестве регуляторов при проклеивании волокна латексами играют растительные танниды (например, дубовый экстракт). Танниды способствуют равномерному осаждению латекса на волокне в присутствии веществ, вызывающих коагуляцию. Особенно хорошие результаты дает одновременное действие таннидов и меламиновой смолы при проклеивании растительного волокна латексами.
Регулирующим действием обладают и фенолформальдегидные смолы.
Одним из важнейших факторов устойчивости (в особенности латексных систем) является величина pH, характеризующая кислотные или щелочные свойства среды. Кислотность или щелочность данной среды зависит от концентрации в ней ионов водорода (Н+). Эта концентрация выражается весьма малой величиной, которой практически пользоваться неудобно. Для того чтобы данная среда характеризовалась целым числом, берется отрицательный логарифм концентрации водорода — pH. Отрицательный логарифм берется для того, чтобы знак величины pH был положительный. Снижение значений pH уменьшает агрегативную устойчивость латексных дисперсий и может привести к слипанию частиц между собою и к образованию осадка.
Повышение pH приводит к увеличению агрегативной и вместе с тем адсорбционной устойчивости. Очень важно найти величину pH, оптимальную для данного процесса. Выше указывалось, что такой оптимум существует, например, при адагуляции частиц гуммигута. Установлено, что при проклеивании волокна хромового дубления должны применяться нормально стабилизированные латексы с величиной pH = 7—7,5.
Растительное волокно проклеивается при помощи введения специальной добавки, вызывающей осаждение частиц дисперсии на волокне. При этом применяется кислый раствор с pH = 4,5—5.
В качестве коагуляторов латексных и других дисперсий обычно применяются сернокислый алюминий или квасцы.
Регулируя процесс проклеивания путем воздействия на устойчивость данной коллоидной системы с учетом ее особенностей, можно добиться хороших результатов как в отношении качества получаемого продукта, так и в отношении экономии расходуемых материалов.