Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-химические основы аутогезионного скрепления волокон в холсте 13
1.1. Факторы, влияющие на аутогсзионное скрепление волокон холста 13
1.2. Актуальность использования аутогезиониой технологии при производстве прокладочных нетканых полотен 26
Выводы по главе 1 30
Глава 2. Методика проведения исследований 32
2.1. Определение свойств волокон 32
2.2. Определение свойств модификаторов 32
2.3. Определение свойств нетканых полотен 32
2.4. Методика математического планирования и анализа эксперимента 33
2.5. Методика статистической обработки экспериментальных дан н ых 3 5
Глава 3, Обоснование выбора волокнистого сырья и плана технологических переходов 41
3.1. Обоснование выбора волокнистого сырья 41
3.2. Обоснование выбора модификаторов 42
3.3. Обоснование выбора схемы технологических переходов и производственного оборудования 43
Выводы по главе 3 47
Глава 4. Синтез новых кремнийорганических модификаторов для химических волокон и нетканых материалов и исследование их свойств 48
4.1. Олигоэтокси[алкил(С.я-Сб)окси]силоксаны 48
4.1.1. Синтез олигозтокси[алкил(Сі-Сб)окси]силоксанов 49
4.1.2. Физические свойства олигоэтокси[алкил(СгСб)окси]-силоксаиов 50
4.1.3. Химические свойства олигомеров 57
4.2. Поверхностная активность кремнийорганических олигомеров 63
Выводы по главе 4 69
Глава 5. Влияние поверхностной обработки химических волокон различными реагентами на свойства нетканых термоскрепленных материалов 70
5.1. Обработка поверхности волокон щелочью и катамином-АБ 70
5.2. Плазменная обработка химических волокон 74
5.3. Модификация поверхности химических волокон кремнийорганическими соединениями 78
Выводы но главе 5 87
Глава 6. Определение оптимальных технологических параметров получения нетканых материалов 88
6.1. Влияние кремнийорганического модификатора на физико-механические свойства химических волокон и нетканых материалов 88
6.2. Влияние катализатора и способа введения модификатора на физико-механические свойства нетканых термоскрепленных материалов из модифицированных волокон 100
6.3. Технические требования на нетканый термоскрсплснный материал 116
Выводы по главе 6 118
Глава 7. Технико-экономическая эффективность работы 120
Выводы по главе 7 139
Общие выводы по работе 140
Литература
- Актуальность использования аутогезиониой технологии при производстве прокладочных нетканых полотен
- Определение свойств нетканых полотен
- Обоснование выбора схемы технологических переходов и производственного оборудования
- Поверхностная активность кремнийорганических олигомеров
Введение к работе
В настоящее время актуальны способы производства нетканых полотен, основанные на скреплении волокнистых холстов термопластичными волокнами, нитями, порошками или за счет аутогезионного взаимодействия волокон при повышенной температуре. Термоскрепление при производстве нетканых материалов используется широко, так как имеет существенные преимущества по сравнению с другими способами:
высокая производительность оборудования;
отсутствие загрязнения окружающей среды;
отказ от использования жидких связующих веществ, нитей или пряжи для скрепления холста;
высокий уровень автоматизации технологического процесса вплоть до организации полностью автоматизированных поточных линий производства;
улучшение условий труда обслуживающего персонала;
возможность использования разнообразных видов волокнистого сырья, в том числе волокнистых отходов и восстановленных волокон;
широкий ассортимент производимой продукции [1 ].
Способом термоскрепления могут вырабатываться нетканые материалы на основе волокнистых холстов различной структуры, сформированных механическим, аэродинамическим, фильерным способом, а также многослойные. Это позволяет за счет изменения ориентации волокон регулировать анизотропность изделия, обеспечивая тем самым требуемое соотношение прочностных свойств в различных направлениях.
Термоскрепление волокнистых холстов может осуществляться различными методами: обработкой под давлением при повышенной температуре (в жале валов каландра или между барабаном и транспортной лентой); обработкой горячим воздухом без давления (в барабанных или конвейерных сушильных установках); под действием инфракрасного излучения, ультразвука, токов высокой частоты.
В связи с возрастающей потребностью в развитии экологически чистых технологий нетканых материалов с улучшенными физико-механическими и функциональными свойствами одной из актуальных научно-технических задач является развитие технологии аутогсзионного скрепления (без связующих волокон) [2-5].
Клеящую способность волокон активизируют обработкой химическими реагентами, вызывающими набухание, пластификацию или модификацию полимера поверхностного слоя. При модификации в поверхностный слой вводятся реакционные группы, которые химически взаимодействуют с активными группами полимера волокна. Это позволяет повысить прочностные свойства волокна и соответствующие свойства нетканого материала. Однако большинство применяющихся модификаторов дороги и недостаточно эффективны, в связи с чем актуальной является разработка новых, эффективных и недорогих модификаторов различной природы, способных повышать аутогезионные свойства химических волокон и нетканых материалов на их основе.
Общая характеристика работы
Целью работы является разработка новой экологически чистой технологии нетканых материалов с повышенными физико-механическими свойствами без использования связующих веществ.
Актуальность работы обусловлена необходимостью создания высокопроизводительных и малооперационных технологических процессов получения нетканых материалов при одновременном исключении полимерных связующих.
Развитие технологии аутогезиониого скрепления химических волокон требует решения задачи повышения их аутогезиониой способности. Для этого необходимо разработать эффективный метод модификации поверхности промышленных химических волокон, позволяющий повысить прочность аутогези-онных соединений и улучшить свойства нетканых термоскрегшенных материалов на их основе.
7 Задачи исследований. Исходя из поставленной цели в работе решались следующие задачи:
проведение анализа состояния производства нетканых материалов способом термоскрепления;
проведение анализа существующих способов повышения аутогезии полимеров;
определение основных параметров аутогезионного скрепления волокон холста;
разработка метода синтеза новых эффективных кремнийорганических модификаторов для химических волокон;
изучение физико-химических свойств синтезированных модификаторов и механизма их взаимодействия с полимером химических волокон;
обоснование выбора сырья, оборудования и технологических параметров производства нетканых материалов аутогезионным способом;
разработка способа повышения физико-механических свойств нетканых тер-москрепленных материалов на основе полиэфирных, полиамидных, полипропиленовых волокон путем модификации их поверхности кремнийорганиче-скими соединениями группы полиорганосилоксанов, впервые используемых для этих целей;
разработка экологически чистой технологии термоскрепленпых нетканых материалов с повышенными физико-механическими свойствами;
определение оптимальных технологических параметров получения нетканых прокладочных полотен аутогезионным способом;
проведение эксплуатационных испытаний новых нетканых материалов;
разработка нормативно-технической документации на производство нетканого термоскрепленного полотна повышенной прочности.
Методика проведения исследований. В работе использовались стандартные методики для исследования физико-механических свойств волокон и готового нетканого материала.
Для оценки физико-химических свойств модификаторов использовались методы хроматографии, ИК-спектроскопии.
При оптимизации технологических параметров получения нетканых материалов использовались современные методы математического планирования и анализа эксперимента.
Научная новизна работы:
разработана технология нетканых термоскрепленных материалов с использованием кремнийорганических модификаторов, не описанных в литературе;
разработан метод синтеза новых кремнийорганических модификаторов (оли-гоэтокси[алкил(Сз-Сб)окси]силоксанов), придающих химическим волокнам повышенную аутогезионную способность;
изучены физико-химические свойства синтезированных кремнийорганических модификаторов и механизм их взаимодействия с полимером волокна;
разработан способ повышения физико-механических свойств нетканых термоскрепленных материалов на основе полиэфирных, полиамидных, полипропиленовых волокон путем модификации их поверхности кремнийорганиче-скими соединениями группы полиорганосилоксанов, впервые используемых для этих целей;
проведено методами регрессионного анализа исследование факторов, обуславливающих физико-механические и функциональные свойства нетканых полотен. Получены полиномиальные уравнения зависимостей свойств нетканого материала от параметров производства;
определены оптимальные условия получения нетканых прокладочных материалов и основ под полимерное покрытие аутогезиониым способом из модифицированных новыми кремнийорганическими соединениями химических волокон.
Практическая ценность работы. Разработана экологически чистая технология нетканых материалов с повышенными физико-механическими свойствами. Полотно испытано в полупромышленных условиях и рекомендовано для ис-
пользования в качестве прокладочного материала в одежду и основы под полимерное покрытие.
Использование разработанного нетканого материала позволяет:
расширить ассортимент нетканых материалов;
улучшить качество нетканых прокладочных материалов и основ под полимерные покрытия;
повысить срок службы текстильных изделий;
исключить применение связующих веществ;
заменить дорогие модификаторы волокон на более дешевые, эффективные, экологически чистые;
сократить технологический никл производства нетканых материалов;
повысить эффективность использования промышленного оборудования.
На полотно разработана и утверждена нормативно-техническая документация.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Внутривузовской научно-технической конференции МГТУ им. А.II. Косыгина, М.: МГТУ, 2001г.
Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2001», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, ноябрь 2001г.
Всероссийской научной конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 21 века», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, март 2002г.
Всероссийской научной конференции «Совершенствование проблемы текстильной и легкой промышленности», М.: Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, апрель 2002г.
Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой
промышленности» (Прогресс-2002), Иваново: Ивановская государственная текстильная академия, май 2002г.
Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2002», М: МГТУ им. А.Н. Косыгина, ноябрь 2002г.
Международной научно-технической конференции «Новые разработки в области нетканых материалов и направления их коммерциализации», г.Серпухов, ОАО «НИИНМ», ноябрь 2003г.
Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Тскстиль-2003», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, ноябрь 2003г.
Публикации. Основное содержание результатов исследований изложено в следующих публикациях:
L Горчакова В.М., Баталенкова В.А., Королева Н.А., Королева Е.А. Исследование процесса аутогезионного скрепления химических волокон // Сборник научных трудов, выполненных по итогам конкурса грантов молодых ученых, М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2001г.- С.З.
Горчакова В.М., Измайлов Б.А., Баталенкова В.А. Технология аутогезионного скрепления химических волокон // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс-2001): Тез. докл. на международ, научно-технической конф., Иваново: ИГТА, 2001г. - С.235.
Горчакова В.М., Измайлов Б.А., Баталенкова В.А. Синтез и строение карборанилпроизводных 2-хлор(органо)силилтиофенов // Тез. 4-го Международного симпозиума по химии и применению соединений фосфор-, сера-, кремпийорганических соединений «Петербургские встречи», С.-Пб.: 2001г.-С.336.
Горчакова В.М., Баталенкова В.А., Измайлов Б.А. Исследование влияния кремнийоргапического модификатора на свойства волокон и нетка-
ных материалов при аутогезионном скреплении // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 2001 г.- №4- С.44.
Горчакова В.М, Баталенкова В.А., Измайлов Б.А. Исследование процесса аутогезионного скрепления модифицированных химических волокон // Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 5, М: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002г.- С. 107.
Горчакова В.М., Баталенкова В.А., Измайлов Б.А. Исследование влияния обработки поверхности волокон ал кокс и с ил океанам и и алкоксиси-ланами на свойства нетканых материалов // Совершенствование проблемы текстильной и легкой промышленности: Тез. докладов по итогам Всеросс. научной конф., М.: РЗИТиЛП, 2002г.
Горчакова В.М., Баталенкова В.А., Измайлов Б.А. Легирование поверхности волокон кремнийорганическими модификаторами // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: Тез. докладов на Всеросс. научно-технической конф., г.Камыпшн, 2002г.- С.15.
Горчакова В.М., Баталенкова В.А. Влияние легирования поверхности волокон кремнийорганическими слоями на свойства нетканых материалов //«Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2001»: Тез. докл. па Всеросс. научно-технической конф., М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002г.- С.50.
Горчакова В.М., Баталенкова В.А., Измайлов Б.А. «Аутогезионное скрепление модифицированных химических волокон» // «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль -2002): тез. по итогам Всеросс. научно-технической конф., М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2002г.- С.53.
Горчакова В.М., Баталенкова В.А., Измайлов Б.А. «Исследование влияния кремнийорганических модификаторов поверхности волокон па свойства нетканых материалов, полученных аутогезионным способом» //Тезисы докладов на 55 межвузовской научно-технической конферен-
12 ции «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству», Кострома, КГТУ, 2002г.
Горчакова В.М., Измайлов Б.А., Баталенкова В,А. Нетканый текстильный материал. Патент № 2182614. Приор, от 12.07.2001г., Опубл. 20.05.2002г. МПК 7D 04 Н 1/5 4.
Баталенкова В.А., Измайлов Б.А., Майников Е.В. «Влияние катализатора на процесс модификации химических волокон при производстве нетканых термоскрепленных материалов» // «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2003): тез. по итогам Вссросс. научно-технической конф., М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2003г.-С.83.
Горчакова В.М., Баталенкова В.А., Из.майлов Б.А. Аутогезионное скрепление модифицированных полиэфирных волокон // Химические волокна, 2003, № 1-С.31.
Баталенкова В.А., Горчакова В.М. Влияние замасливателя на свойства нетканых материалов из волокон, легированных кремнийорганическими модификаторами // Сборник научных трудов аспирантов. М.: МГТУ, 2003, №6-С. 18.
Актуальность использования аутогезиониой технологии при производстве прокладочных нетканых полотен
Рынок прокладочных нетканых материалов для одежды является одним из крупных рынков текстильных материалов. По данным Мусатова В.А.[89] доля нетканых материалов в одежду составляет сегодня 37,0 млн.м /год а в 2010 году возможен рост до 170 млн.м . Доля нетканых материалов, исполь
зуемых в качестве основы под полимерные покрытия (линолеум, столовая клеенка, обои и слоистые пластики, приклад для швейной промышленности, кровельные) занимает лидирующее место среди ассортимента нетканых материалов и составляет на сегодняшний день 71,7 млн.м2/год, план на 2010 год — 170 млн.м .
На мировом рынке прокладочных нетканых материалов доля термо-скрепленных оценивается в 35%, клееных - 30%, бумагоделательных - 15%, фильерных, струйных, вязально-прошивпых - по 5%.
Разнообразие способов производства нетканых прокладочных полотен обусловлено необходимостью выработки большого ассортимента разнообразной продукции.
В настоящее время прокладочные материалы широко используются при пошиве одежды и обуви. Применение прокладочных материалов дает возможность придать деталям костюмов, пальто, платьев, блузок устойчивость формы, позволяет использовать параллельно-последовательный метод обработки, что значительно сокращает время обработки швейных изделий и улучшает качество.
Практически ко всем видам прокладочных материалов разработаны технические требования, включающие нормативы следующих показателей свойств: поверхностная плотность, толщина, жесткость, изменение линейных размеров после мокрой обработки и влажно-, тепловой обработки, стойкость к химической чистке. Нормативы технических требований дифференцированы по назначению, особенностям структуры и видам прокладочных полотен. [90].
Тенденции развития основных материалов для одежды обуславливают требования к комплектованию пакета одежды с применением прокладочных материалов: снижение материалоемкости и поверхностной плотности традиционных тканей; новые сочетания традиционных волокон в одном виде ткани (шелк хлопок - лен; хлопок - ПА; лен - вискоза - ПЭ и др.) широкое применение различных видов отделок: тиснение, вытравлива ние волокон, водоотталкивающие пропитки, отделки, облегчающие уход в эксплуатации); расширение ассортимента полимерных материалов нового поколения. [91].
Тканые прокладочные материалы растяжимы в косом направлении, но стабильны в долевом и поперечном. Нетканые прокладочные материалы хорошо растягиваются в поперечном и плохо в продольном направлении. Прокладочный трикотаж растяжим в поперечном направлении и практически нерастяжим в долевом направлении. Он дает мягкую, но стабильную форму. Прокладочный материал с поперечным усилением совсем не растягивается ни в поперечном, ни в долевом направлениях. Он эластичен в косом направлении. Такой материал обеспечивает устойчивую, но гибкую форму.
Нетканый объемный клеевой материал находит применение при пошиве тяжело дублируемой одежды; для тонких и легких тканей мужской и женской одежды, для всех верхних материалов с ворсом (пальто, костюм). Нетканый клеевой материал, усиленный по основе (объемный флиз) применяется для усиления борта в мужской верхней одежде, для использования при фронтальном дублировании бортовок и волосяных прокладок. [92].
В плоских нетканых прокладочных материалах связь волокон осуществляется либо под влиянием температуры и давления, без применения каких-либо химических средств (способ термопрессования), либо с помощью водных дисперсий, акриловых или виниловых смол (химический способ).
Французская фирма-производитель прокладочных материалов в одежду "Lainiere de Picardie" предлагает нетканые материалы поверхностной плотности 30-100 г/м2 из полиэфирных волокон для дублирования изделий из тканей средней тяжести и для усиление борта и плеча мужского пиджака.
Фирмой «GIobalTex» выпускается также нетканый прокладочный материал без нанесённого покрытия для мелких деталей, поясов юбок и брюк с возможной перфорацией. Полученные материалы используются для дублирования изделий из легких и полулегких смесовых тканей, трикотажной продукции, верхней одежды.
Фирма «Гамма» предлагает флизелины производства Польши (фирмы «Lentex») и Китая («Rainbow»).
Материалы предлагаемых структур обеспечивают комплекс специальных свойств (сорбцию влаги, запаха, сильнодействующих ядовитых веществ, тепло-звукоизоляцию) при высокой степени гигиеничности и комфортности.
Для изготовления прокладок при пошиве верхней и специальной одежды рекомендуются нетканые материалы, изготовленные из силиконизиро-ванных полых волокон или их смеси с льняным волокном, обеспечивающим высокие гигиенические свойства [93].
Преимуществами применяемых прокладочных термоскрепленных материалов являются невысокая стоимость, хорошие гигиенические свойства и возможность применения для различных ассортиментов текстильных изделий.
Недостатками являются: малая прочность, формоустойчивость и нс-сминаемость, повышенная жесткость и большая потеря прочности при стирке.
Развитие химии высокомолекулярных соединений, физико-химии и механики полимеров расширяет возможность технологии нетканых материалов. Появились новые волокна: ультратопкие, полые, бикомпонентные, а также новые виды связующих веществ: сополимерные, безэмульгаторпые, самосшивающиеся, термосенсибильные латексы, новые олигомерные термореактивные смолы, порошки и т.д.
Определение свойств нетканых полотен
Для частного случая при К = 3 уравнение имеет вид: Y = Во + ВіХі + В2Х2 + ВзХз + Bi2 ХіХ2 + ВізХіХз + В23Х2Х3 + + В123Х1Х2Х3 (2.3.) Коэффициенты регрессии определяются по формулам: N Во = I Yii / N ; (2.4.) u=i N N Bi = SXiuYu/S Xiu2; (2.5.) U=l u=l N Bij = S Xij Xij Yu / N ; (2.6.) N Bijn = Xiu Xju Xnu Yu / N ; (2.7.) u=i где Xiu, Xju, Xnu - значения факторов ХІ, Xj, Хп в u-м опыте; Yu - значение параметра оптимизации в том же опыте; N - число опытов.
Обработка результатов в полном факторном эксперименте включает следующие операции: 1. Исключение резко выделяющихся значений с помощью критерия Грабса-Смирнова. 2. Проверка гипотезы об однородности дисперсии в опытах матрицы с помощью критерия ІСочрена, расчетное значение которого определяется по формуле (2.8.). N GR = S2umax{y}/I Su2 {у} (2.8.) Полученное значение сравнивается с табличным. Если GR GT, ТО гипотеза об однородности дисперсий не отвергается. 3. Определяются коэффициенты уравнения по формулам (2.4.-2.7.). 4. Проверка значимости коэффициентов регрессии. Для этого используют кри терий Стьюдента, расчетное значение которого tR {Bi} сравнивают с таблич ным tr. Если IR tr. то гипотеза о значимости коэффициентов регрессии не от вергается. Расчетное значение критерия Стьюдента равно: tR{Bij = Bi/S{Bi} (2.9.) 5. Гипотезу об адекватности представления результатов исследования полино мом первой степени проверяют с помощью критерия Фишера: FR = S ад.2 / S2 воспр. (2.10.) где S2 ад. - дисперсия адекватности математической модели; S2 воспр. -дисперсия воспроизводимости, характеризующая ошибку опыта. N S2 ад. = m S (Yu-Yru) 2 / N-NK (2.11.) u=i где Yu - средние значения критерия оптимизации в опытах, найденные экспериментально; Yni - значения критерия оптимизации, полученные из уравнения регрессии. N m S2 воспр. = S2 {у} = X I (Yiu-Yu)2/N(m-1) (2.12.) и=і i=l где: Yiu - значения параметра оптимизации в параллельных опытах; m - число параллельных опытов.
Гипотеза об адекватности линейной модели может быть принята, если расчетное значение F-критерия не превышает табличного для выбранного уровня значимости, обычно с 95% достоверностью.
В данной работе применен план Бокса второго порядка для трех факторов. Матрица плана Бокса строится на кубе и содержит все вершины и центры (п-1) -мерных граней. Число опытов в матрице равно: N=2 + К-2К (2.13) При проведении эксперимента используют рабочую матрицу. Для перехода от матрицы планирования к рабочей матрице используют соотношение (2. К). Обработка экспериментальных значений матрицы дает возможность получить полиномиальное уравнение вида: К. Ск К Y = Во + I Bi Xi + I Bij Xi Xj + I Bii Xi2 (2.14.) і = ] ІрІ І=І Для случая, когда число факторов К=3 уравнение принимает вид: Y = Во + ВіХі + В2Х2 + В12Х1Х2 + ВзХз + ВізХіХз + В23Х2Х3 + ВмХ і + +B22X22 + ВззХаз (2.15.) Обработка данных эксперимента проводится на ЭВМ и включает следующие операции: 1. Нахождение среднего значения функции отклика по строкам: m Yu=l/m-Yi (2.16.) І=] Определение построчных дисперсии: Su2 {у} =(l/m-l)-S(Yi-Yu)2 (2.17.) i=l Проверка однородности дисперсий по критерию Кочрена, расчетное значение которого определяется по формуле (2.8.). Полученное значение сравнивается с табличным. Если GR GT, то гипотеза об однородности дисперсий не отвергается. 2. Оценка дисперсии воспроизводимости: N U S2{yj = S2{y}/m-E(Yu-Yu)2, (2.18.) где: N-число опытов в матрице. Вычисление коэффициентов уравнений: N N U Во = gi 2 Yu + g2 S Е XiVYu (2.19.) U=l i=l U=l N Bi = g3SXijXij Yu (2.20.) u=i N Bij = g I XijXujYu (2.21.) u=i N M N N Bii = g5 S Xiu Yij + g6 S E XPu Yu - g2 Yu (2.22.) U-l i-l U=l U=l где: Yu - среднее экспериментальное значения критерия оптимизации; gi-g2 - постоянные коэффициенты для обработки экспериментальных данных.
Аутогезионный способ получения нетканых материалов занимает самостоятельное положение среди физико-химических способов производства нетканых материалов. Его отличает экологическая чистота и сокращенная технологическая схема производства. Но из-за низкой адгезионной способности химических волокон данный способ используется ограниченно. Применение различного рода модификаторов, промоторов аутогезии позволит расширить применение данной технологии для получения нетканых материалов самого различного назначения.
Обоснование выбора схемы технологических переходов и производственного оборудования
В главе 1 описаны способы повышения адгезионной способности полимеров [24]. Для текстильных волокон применяются модификаиионныс способы обработки волокон: плазменная, щелочная, кремнийорганическими соединениями и др.
Недостатками первых двух способов является нарушение поверхностной структуры волокна, образование дефектов на его поверхности - «ямочек» травления и шероховатостей, что приводит к потере массы, к утонению волокна и снижению его прочности. При этом происходит увеличение общей площади поверхности волокна. При такой обработке увеличивается площадь контакта волокон и, следовательно, растет их аутогезия [113].
Недостатки плазменной и щелочной обработок исключаются при использовании кремнийорганических модификаторов волокон, которые пластифицируют полимер волокна и повышают его аутогезионную способность, кроме того они способны образовывать на поверхности волокна полимерную пленку модификатора с реакционно-способными группами, вступающими во взаимодействие с химически активными группами соседних волокон на границе их контакта [114]. Это приведет к увеличению прочности аутогезионных соединений и, следовательно, физико-механических свойств нетканых материалов.
Известные на сегодня кремнийорганические модификаторы дороги или не производятся в промышленном масштабе.
В связи с вышеуказанным, в качестве модификатора были выбраны синтезированные нами новые кремнийорганические препараты из ряда олигоорга-носилоксанов на основе отечественного недорогого сырья, характеристика которых представлена в гл 4.
Обоснование выбора схемы технологических переходов и производственного оборудования
Термоскрепление при производстве нетканых материалов используется широко, так как имеет существенные преимущества по сравнению с другими способами. К достоинствам этого способа следует отнести сокращенную технологию и высокую производительность выработки нетканых материалов.
Одним из способов термоскрепления является аутогезионный способ. Он основан на использовании химических волокон, исключает использование дорогостоящих связующих, не требует очистки сточных вод. В качестве веществ, повышающих аутогезионную способность химических волокон используются растворители, модификаторы, пластификаторы. В данной работе волокна модифицировали кремнийорганическими соединениями.
Для производства нетканых прокладочных материалов были выбраны лавсановые волокна, поэтому технологический план для подготовки сырья включает в себя следующие технологические операции: разрыхление, смешивание, вылеживание, чесание, холстоформирование. Кремнийорганические модификаторы вводили на стадии замасливания волокон.
Разрыхление волокон и нанесение модифицирующей эмульсии осуществляется в приготовительном отделе. Для распаковки кип и разрыхления волокон используется питатель универсальный ПУ-120-Ш. Для лучшего разволокнения используется щипал ьно-замасливающая машина ЩЗ-140-Щз.
Выбранные химические волокна склонны к электризуемости. Для уменьшения электризуемости химических волокон их обрабатывают эмульсией антистатика, в данной работе использовали водные эмульсии кремнийорганических модификаторов, которые обладают антистатическими свойствами [115]. В данной работе на стадии замасливания на волокно наносили эмульсию модификатора следующего состава: - кремнийорганическое соединение 5 г/л - эмульгатор ОС-20 0,25 г/л -дистиллированная вода до 1 л Затем волокно вылеживается в течение 8-12 часов, во время чего происходит выравнивание свойств смеси в объеме и модификация волокна. Смешивание и вылеживание волокон осуществляется в лабазе расходном механизированном ЛРМ-25-Ш 1.
Поверхностная активность кремнийорганических олигомеров
Известно, что различные материалы (стекло, бумага, хлопок, шерсть, кожа, шелк, керамика, дерево, пластмассы и др.), которые находились в соприкосновении с кремнийорганическими продуктами, жирны на ощупь и отталкивают воду [121]. Это свидетельствует о том, что кремнийорганические соединения способны образовывать на различных материалах при действии паров или в жидкой фазе невидимые пленки кремнийорганических полимеров с водой, а также гидрофобизировать гидрофильные поверхности и одновременно понижать их коэффициент трения.
Микрослой, обуславливающий эти явления, прилипает к поверхности очень прочно. Если пленка не достаточно отвердела, её ещё можно удалить кипящим декагидронафталином [122], однако полностью отвержденный слои можно удалить только сильными химическими реагентами, например, водным раствором плавиковой кислоты или спиртовым раствором едкого кали.
В случае очень хорошей адгезии силоксановых пленок к материалам можно предположить возникновение химических связей между полисилок-сановым слоем и гидрофильной поверхностью.
Это предположение было подтверждено. Так, при пропитке целлюлозных и полиамидных волокон триметилхлорсиланом их =Si-Cl связи могут реагировать с активными =С-ОИ и C-NH- группами волокон с образованием =Si-0-C= и Si-N-C связей [123]. Наличие этой реакции было доказано экспериментально действием триметилхлорсилана на хлопок и ацетилцеллю-лозу в безводном пиридине [124].
Авторы доказали, что при этой реакции образуется триметилсилил-целлюлоза с содержанием до 2,75 триметилсилильных групп на звено целлюлозы.
На основании теоретических рассуждений был сделан вывод об ориентации кремнийорганического полимера: атомы кислорода силоксановых связей направлены к гидрофильной поверхности, а органические радикалы в противоположную сторону. Исходя из радиусов атомов в кремнийорганических соединениях 1116], сделаны заключения: если расстояние между метальными радикалами равно ЗА, а расстояние между соседними цепями 4А, то грамм-молекула звеньев (CH SiO, образовавшихся при гидролизе одной грамм-молекулы диметилди хлор сил ана, может занимать поверхность 1,27-109см2 при толшине пленки 6-І О 8 см. При взаимодействии газообразного диметилди хлор с ил ана с водой, адсорбированной па поверхности стеатита, по величине привеса было установлено, что толщина образовавшегося слоя полисилоксана составляет около 1,9-10"5 см, то есть 1,9-10"5см : 6-10"8см = 300 звеньев [124]. Это согласуется со средними экспериментальными данными о толщине водного слоя, адсорбированного на разных видах гидрофильных поверхностей при разных относительных влажностях окружающего воздуха. Толщина пленки воды, адсорбированной на стекле, равна толщине слоя в 100 молекул (реальная толщина пленки зависит от относительной влажности окружающего воздуха),
Можно полагать, что молекулы диметилдихлорсилана реагируют поочередно с молекулами воды до постепенной полной замены водного слоя силоксановой пленкой. Так как площадь равняется 21-10" см , то один моль диметилдихлорсилана образует мономолекулярную пленку площадью 21-10 16 х 6,06-Ю23 = 1,27-Ю9 см2 (где 6,06-102J- NA - число Авогадро).
Таким образом, можно сделать водоотталкивающей значительную поверхность обрабатываемого материала, затратив небольшое количество паров диметилдихлорсилана. 4.2.1. Поверхностная активность новых олигомеров
Исходя из радиусов атомов в кремнийорганических соединениях [116] и полагая, что расстояние между этоксигруппами у атома кремния в новых олигомерах равно 0,5 им (5А), а расстояние между соседними цепями 0,4 нм (4 А), мы определили расчетным методом, что г/моль звеньев (СзНзСУЬЗЮ может занимать площадь, равную 2,12-10 см при толщине пленки равной 9,99-10 8см, а грамм-молекула гидратированной окиси кремния [HO(Si02)xOH], которая образуется при гидролизе (C2H50)2SiO группы, мо 65 жет занимать площадь равную 16,28-Ю 16 см2 при толщине мономолекулярного слоя равной 3,22-10"8см.
Так как в одном г/моле олигомера - олигоэтокси(изо-бутокси)силокса-на - содержится четыре таких звена, то образующаяся на поверхности пленка из гидратированной окиси кремния будет занимать площадь, равную 16,28-1016 см2 х 6,06-1023 = 3,95-109 см2 (где 6,06-Ю23- NA - число Авогадро).
При расходе олигомера (олигоэтокси(изо-бутокси)силоксана) на изготовление нетканого материала 0,3 % масс, (3,18-І О 1 г/моля) площадь мономолекулярной пленки из гидратированной окиси кремния составит 1,25-107 см2.
Сорбция гидратированной окиси кремния связана с удельной активной поверхностью волокон. Удельную активную поверхность определяли методом адсорбции красителя метиленового голубого по методике [125] (см. табл. 4.4.).
