Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы 6
1.1. Реализация малоотходной технологии в хлопчатобумажном производстве 6
1.1 Количество и особенности хлопка пониженной зрелости 13
1.2 Роль поверхностной зоны волокон в реализации процессов текстильной технологии 20
1.4 Принципиальные возможности использования магнитного поля для модифицирования волокон хлопчатника разной зрелости 24
2. Изменение структурной организации и свойств волокон хлопчатника Ю2 в процессе их вызревания 36
2.1 Структура молекулярного уровня хлопка разной зрелости 36
2.2 Структура надмолекулярного уровня 57
2.3 Дефектность волокон разной зрелости 62
2.4 Прочностные характеристики волокон 65
2.5 Фрикционные свойства волокон 70
2.6 Резистометрические свойства волокон 76
2.7 Двулучепреломление в волокнах хлопка Ю2 разной зрелости 80
3. Исследование влияния магнитного поля на структуру и свойства волокон разной зрелости 85
3.1 Разработка устройства для проведения обработки волокон в магнитном поле 86
3.2 Влияние воздействия магнитного поля на структуру и свойства волокон разной зрелости 90
3.3 Изменение прочностных свойств волокон после воздействия на них магнитного поля 99
3.4 Изменение резистометрических свойств волокон разной зрелости после воздействия магнитного поля 105
4 Разработка способа и устройства обработки волокон магнитным полем 109
4.1 Возможные дополнительные механизмы воздействия магнитного поля на волокна в камере 109
4.2 Расчет вероятности неразрушения стержня, вращающегося соосно с камерой пневмомеханического прядения 112
5 Разработка технологии переработки смесок, содержащих хлопок пониженной зрелости 122
5.1 Введение 122
5.2 Предварительная очистка хлопка 125
5.3 Получение пряжи из смесок, содержащих волокна пониженной зрелости и отходы №7 и № 11 132
5.4 Технология переработки смесок, содержащих отходы и незрелые волокна с использованием магнитного поля 136
5.5 Экономическая эффективность разработок, выполненных в работе 147
Список используемой литературы
- Роль поверхностной зоны волокон в реализации процессов текстильной технологии
- Структура надмолекулярного уровня
- Изменение прочностных свойств волокон после воздействия на них магнитного поля
- Расчет вероятности неразрушения стержня, вращающегося соосно с камерой пневмомеханического прядения
Введение к работе
Хлопок является основным, в ряде случаев незаменимым, сырьем для волокнистых материалов, используемых человеком с целью изготовления нательного и постельного белья, нижней и верхней одежды, а также для получения тканей технического назначения. По технологичности в прядении хлопок занимает лидирующее положение, так как ему характерны (в скобках, для сравнения, приведены значения соответствующих характеристик элементарных волокон льна): пониженные: линейная плотность - 0,13-0,22 текс (0,17-0,53 текс), удельное поверхностное
7 О
электрическое сопротивление Ю'-10Ом и модуль деформирования 3-4 ГПа (15-20 ГПа); повышенные удельное удлинение перед разрушением 7-7-9% (2-3%) и коэффициент тангенциального сдвига 0,2-0,29 (0,12-0,2); вполне приемлемая для реализации процессов текстильной технологии удельная прочность 20-40 сН/текс (25-60 сН/текс). Наряду с повышенной технологичностью хлопка и комфортностью изделий из него, этот вид волокон можно получать в больших количествах. В настоящее время его производят около 25 млн. тонн ежегодно при урожайности около 6,5 ц/га хлопка-волокна (табл.1).
Таким образом, существенного снижения доли хлопка в общем объеме используемых волокон, несмотря на прогнозы, не произошло. Если же учесть возможности увеличения урожайности хлопчатника в 1,5-2 раза, с одной стороны, и уменьшение запасов нефти и газа, используемых для изготовления синтетических волокон, с другой стороны, то становится очевидным, что в перспективе хлопок останется одним из основных видов волокон, перерабатываемых в текстильной промышленности.
Таблица 1 Годовой объем различных волокон, производимых в мире, млн. т.
Усредненные данные Манчестерского текстильного института, CIRFS, Fibers, Organon, Cotton Outlook, российских и советских изданий. Объем волокна, произведенного в России или СССР (1980 год)
Основными производителями хлопка являются Китай (25%), США (20%), Индия (13%), Пакистан (10%), Бразилия (5%), Узбекистан (4%). В 2005 году Китай, Турция, Пакистан, использовали весь свой хлопок и ввозили из-за рубежа около 4 млн. т., в Бразилии неиспользованным осталось около 0,5 млн.т., Узбекистан ежегодно увеличивает долю хлопка, перерабатываемого внутри своей страны, планируя довести эту долю в ближайшие годы до 50%. Все это свидетельствует о возможном существенном снижении количества экспортируемого хлопка и необходимости производства его в довольно «северных» регионах, например на юге России и Болгарии, а также более полной переработки этого сырья, включая волокна пониженной зрелости и отходы предпрядения. В «северных» регионах доля хлопка пониженной зрелости может достигать в отдельные годы 30-40%. Традиционные же страны-производители хлопка поставляют волокна 4 и 5 сортов, в составе которых значительная часть
волокон с коэффициентом зрелости ниже 1,5. Например, в Россию Узбекистан поставляет хлопка 4 и 5 сортов до 30%, Таджикистан до 10%, Казахстан до 6%. С учетом хлопка пониженной зрелости, реализуемого на внутреннем рынке стран-производителей, доля этого вида волокон в мире достигает 2,75млн.т. и более.
Из сказанного следует, что переработка хлопка пониженной зрелости, а также отходов хлопкозаводов и предпрядильного производства, в составе которых недозрелые волокна составляют значительную часть, представляет собой задачу исключительной актуальности. Решение этой задачи невозможно без детального исследования структуры технологических и физико-механических свойств волокон хлопчатника пониженной зрелости.
Переработка хлопка пониженной зрелости с использованием традиционной текстильной технологии сопряжена с необходимостью модифицирования волокон. Среди физических, химических и механических методов модифицирования волокон наиболее привлекательным является способ с использованием магнитного поля. Современные магнитные системы на постоянных магнитах не требуют подведения электрической энергии в зону обработки волокон, они отличаются технологичностью, экономичностью, экологичностью. Посредством магнитного поля можно изменять спиновое состояние систем, энергетические характеристики неравновесных и метастабильных дефектов и, в конечном итоге, структуру и свойства на макроуровне. Указанные изменения в волокнах пониженной зрелости могут позволить переработку их вместе со зрелыми волокнами в прядильном производстве с использованием пневмомеханических прядильных машин и получать пряжу 1-2 сортов.
Роль поверхностной зоны волокон в реализации процессов текстильной технологии
Значительное отличие у волокон разной зрелости можно ожидать в поверхностных зонах, так как в этих зонах наблюдается отличие по компонентному составу и структуре [39-48].
В текстильной технологии процессы формирования холста, ленты, ровницы, пряжи, беления, крашения, модифицирования зависят или полностью определяются физико-химическими параметрами поверхностной зоны волокон. Основные механизмы электризации волокнистых материалов [43-44]: контактная электризация и трибоэлектризация. Стабильность геометрии волокнистых не скрученных или слобоскрученных полуфабрикатов определяется фрикционными свойствами поверхности волокон. Количественно охарактеризовать особенности поверхностной зоны волокон означает выявить в них: дефектность, энергетическое состояние различных структурных элементов, пористость, капиллярность, степень аморфности и состояние аморфных зон.
Исследование поверхности волокон затруднительно потому, что они являются диэлектриками и электризуются при облучении их электронами, ионами, а также по причине изменения их структуры под воздействием указанных частиц и квантов различных излучений.
Для выявления особенностей энергетического состояния поверхности хлопка, а также структуры на молекулярном уровне использованы два основных метода: визуализация строения поверхности волокон и создаваемых ими слабых полей разной физической природы посредством жидких кристаллов (ЖК), а также методы инфракрасной спектроскопии.
Жидкие кристаллы позволяют получить цветное изображение поверхности волокон и зоны воздействия полей волокон на структурную организацию Ж.К [45-46]. При этом воздействие ЖК на волокно настолько незначительное, что им можно пренебречь. Это можно показать следующими данными. Об энергетическом состоянии поверхности волокна можно судить по толщине слоя ЖК с искаженной гомеотропной ориентацией прилегающего к волокну, и по температуре перехода ЖК в изотропное состояние. Энергия же искажения ориентации длинных осей молекул термотропного нематического жидкого кристалла ( нематика), например МББА, отнесенная к энергии сжатия этого кристалла равна [45]: (L/A)2 где L-длина молекул нематика (2-10 9м у МББА), а А- толщина слоя жидкого кристалла ( в нашем случае около 10"4м) тогда для нашего случая: (L/A) =4-10" . Из полученного результата следует: воздействие зоны ЖК, контактирующей с волокном и имеющей искаженную гомеотропную ориентацию, на волокно и на жидкий кристалл расположенный в данной зоне, исчезающе мало; чувствительность же ЖК к наличию полей, например обусловленных остаточными напряжениями, нескомпенсированными дисперсными и полярными силами, очень высока. Величина искажений исходной ориентации молекул ЖК определяется поверхностным взаимодействием ЖК с волокном. Поверхностное натяжение между волокном и ЖК определяются по формуле: где: ys - поверхностное натяжение волокна; yLc- поверхностное натяжение ЖК; П - параметр, учитывающий совместное дипольное и дисперсионное взаимодействие. Из расчетов в соответствии с приведенной выше формулой следует, что поверхностное натяжение между хлопком и МББА составляет примерно 3,5-10" Дж/м или около 1эВ на одну молекулу указанного выше нематика. То есть взаимодействие молекул МББА с поверхностью волокон весьма существенно. Если МББА поместить между двумя стеклами, прошедших специальную механическую обработку и высушенных горячим паром изопропилового спирта, то молекулы этого нематика приобретают гомеотропную ориентацию. При помещении между стеклами в среду нематика волокна поверхность его взаимодействует с ЖК. В зависимости от соотношения значений ys и yLc около поверхности волокна будет сохраняться гомеотропная ориентация нематика или будет происходить ориентационный переход ЖК из гомеотропного состояния в планарное (переход Фредерикса). Толщина слоя ЖК с искаженной гомеотропной ориентацией (Д), а также температура перехода нематика около поверхности волокна в изотропное состояние (Tiso) по причине взаимодействия с поверхностью волокна качественно характеризуют энергетическое состояние поверхностного слоя волокна [45,46].
Среди свойств, определяемых поверхностью и оказывающих влияние на процессы в прядении вообще и пневмопрядении, в частности, являются резистометрические свойства. Удельное поверхностное электрическое сопротивление волокон ps определяет сток электрических зарядов [47-54], являющихся важнейшим процессом, от которого зависит уровень электризации. Электризуются практически все материалы, но избыточные заряды тел, обладающих хорошей электропроводностью, мгновенно стекают, электропроводность же хлопка низкая и составляет в нормальных условиях 10" - 10" См/м. При реализации процессов пневмопрядения основными механизмами электризации являются следующие: трибоэлектризация, электризация за счет испарения влаги с поверхности волокон в потоке воздуха и электростатическая электризация [49, 50, 52, 54]. Трение волокон происходит интенсивно в зоне дискретизации при движении волокон по наклонной плоскости сборной поверхности, в зоне формирования пряжи за счет смещения волокон относительно друг друга, при огибании пряжей под большим углом поверхности воронки в зоне вывода ее из камеры.
Структура надмолекулярного уровня
Изменение надмолекулярной структуры волокон в ходе их вызревания исследовали с использованием рентгеноструктурного анализа. Съемка проведена на установке УРС-2,0 и дифрактометре ДРОН-3. Источниками рентегновских лучей была медная трубка. На образцы направляли Ка-лучи, которые выделяли путем пропускания рентгеновских лучей через сбалансированный Co-Ni фильтр. Съемка проведена в помещении при температуре 20С и относительной влажности воздуха (60-65)%. На дифрактометре использована непрерывная запись интенсивности рентгеновских лучей и регистрация интенсивности по точкам. Образцы перед съемкой параллелизовали и закрепляли на рамке, рентгеновские лучи падали перпендикулярно оси волокон. На ДРОН-3 запись проведена при значении угла 20 в пределах 12-60. На полученных рентгенограммах (УРС-2,0) качественно оценивали особенности строения кристаллитов, а на дифрактограммах определяли положение максимумов - угол 20 и их ширину -(Зо- Размер кристаллитов (L.) определены по формуле Шерера [111]. В меридиональном направлении величину (Зо находили для рефлексов (040) и (021) а в экваториальном - для рефлекса (002). Величина L равна [111, 112]: L = , P VPT1 (5), pcosa где: X - длина волны рентгеновского излучения CuKa, р - исправленная ширина рефлекса, (Зэ - ширина рефлекса эталона. Функция разориентации f рассчитана для пика (040) в соответствии с соотношением: 3 4-1 где: a - угол между осью волокна и выбранным кристаллографическим направлением. Степень кристалличности образца ф и целлюлозы Р определены в соответствии с работой [112]. Положение рефлексов на дифрактограмме и долю поверхности под дифрактограммой, обусловленной аморфной зоной, определяли с учетом результатов, полученных с использованием нейратехнологии и многопроцессорной вычислительной техники [113]. При определение степени кристалличности целлюлозы добивались сферической симметрии при рассеяния рентгеновских лучей путем использования метода порошка [112].
Данные рентгеноструктурного анализа волокон разной степени зрелости представлены на рисунках 6-8 и в таблицах 14 и 15. Как видно, при снижении степени зрелости волокон период идентичности в экваториальном направлении (рефлекс (002), табл. (14) имеет тенденцию к возрастанию, а в меридиальном направлении (рефлекс (040) напротив, наблюдается тенденция уменьшения величины d (табл. 14 и 15)
Причем изменение значения d у волокон в меридиональном направлении менее существенна по сравнению с экваториальным. Для меридионального рефлекса (021) это изменение d оказывается в пределах ошибки, кроме самых незрелых волокон, длительность роста которых составляла 10 дней. Из перечисленных выше данных следует, что с ростом степени зрелости возрастает плотность укладки макромолекул, т.к. на параметры экваториального пика упорядоченность расположения атомов в самих макромолекулах сказывается несущественно из-за малости размеров макромолекул (около 10 А) в направлении перпендикулярном оси волокна. Несущественность изменения d в меридиальном направлении означает, что с вызреванием волокон укладка структурных элементов вдоль макромолекул изменяется незначительно. Размеры же кристаллитов с увеличением степени зрелости более интенсивно изменяются в меридиональном направлении по сравнению с экваториальным. Так величина L, определенная по меридиональному рефлексу (040), с уменьшением длительности вызревания волокон от 60 до 14 дней уменьшается на 18,5А (на 26 %), а определенная по экваториальному рефлексу (002) - на 8А (на 16%). Это означает, что упорядоченность в расположении структурных элементов, из которых состоят макромолекулы, с ростом степени зрелости волокон возрастает существенно, а упорядоченность укладки самих макромолекул, при этом изменяется, незначительно. При понижении зрелости волокон наблюдается изменение функции ориентации и угла разориентировки кристаллитов относительно оси волокна (табл. 13). Среднее значение f при уменьшении длительности вызревания волокон с 60 до 14 дней снижается па 4 %, а средний угол разориентировки кристаллитов возрастает на 4%. Представить себе разворот кристаллитов, возникших на первых стадиях роста волокон, трудно. Это означает, что кристаллиты, формирующиеся на более поздних стадиях роста волокон, менее разориентированы относительно оси волокна.
В ходе переработки волокон, особенно отделки волокнистых полуфабрикатов, они подвергаются термической обработке - это с одной стороны, а с другой: температурная зависимость параметров структурной организации волокон может позволить судить об изменении их природы. В кристаллитах триклинной и моноклинной сингоний, к которым относятся кристаллиты целлюлозы, главные оси зависят от температуры, а расширение кристаллитов характеризуют коэффициентами линейного расширения в направлениях кристаллографических осей. В данной работе была выбрана ось «с», периоды идентичности определяли в экваториальном направлении. Как видно из данных табл. 15, период идентичности при нагревании волокон от 30 до 100С для зрелых и всех видов незрелых волокон возрастает на (0,042ч-0,045)А. Размер кристаллитов имеет тенденцию к снижению при повышении температуры (табл. 15) Однако это снижение находится в пределах ошибки. Таким образом, при повышении температуры до 100С изменение размера кристаллитов несущественно как у зрелых, так и у незрелых волокон.
Изменение прочностных свойств волокон после воздействия на них магнитного поля
Испытание волокон растяжением осуществлено на установке, схема которой изображена ранее (рис. 12). Волокна перед растяжением выдерживали в течение суток при относительной влажности 90%, а затем обрабатывали в магнитном поле на установке, представленной на рис. 16. Обработка состояла в возвратно-поступательном движении волокон через межполосное пространство в течение трех минут. При уменьшении времени движения волокон в магнитном поле до 20 секунд изменения характеристик прочности аналогичны, однако наблюдается тенденция их снижения при времени пребывания волокон в магнитном поле менее одной минуты. Были испытаны две серии образцов по 15 штук на каждый вариант обработки волокон. Одной серии оказалось недостаточным потому, что коэффициент вариации составлял значительную величину - (19 -f 30)%. После обработки данных испытания 30 образцов, на каждый вариант, коэффициент вариации составлял (16,5 -г 19)% (табл. 23).
Характерные диаграммы растяжения волокон представлены на рис. 20-22, а результаты всех испытаний по растяжению волокон - в табл.23.
Диаграммы растяжения волокон отличаются большим разнообразием: как значением разрушающей нагрузки и деформации перед разрушением, так и формой. Это согласуется с данными о дефектности волокон (таблица 16). Повышенное количество трещин, особенно поперечных и утонений на зрелых волокнах (табл. 16). Обуславливают значительные колебания величины нагрузки, при которой данные волокна разрушаются и соответственно, повышенное значение коэффициента вариации относительной прочности (табл. 23). Характерной особенностью диаграмм растяжения волокон пониженной зрелости является наличие участков близких к горизонтали, то есть существенного увеличения деформации при маленьком увеличении нагрузки (рис. 20). Появление при этом на поверхности волокон ложбинок позволят предположить, что деформирование обусловлено смещением друг относительно друга фибрилл и (или) микрофибрилл. Волокнам зрелым (рис. 21) характерно появление на диаграммах растяжения участков упрочнения перед разрушением, что наиболее четко видно на рис. 21 в. После обработки в магнитном поле на волокнах с длительностью роста 60 дней диаграммы вида той, которая изображена на рис. 21в встречаются реже, а на волокнах, с длительностью роста 10 дней существенно уменьшается число диаграмм, представленных на рис. 20 а и б, которым характерно «течение» материала предположительно за счет смещения надмолекулярных образований. После обработки в магнитном поле диаграммы растяжения зрелых и незрелых волокон оказываются подобными, что согласуется с данными ИК-спектроскопии об уменьшении различий структуры молекулярного уровня у волокон разной зрелости.
Количественные характеристики прочности волокон представлены в табл. 23. Модуль деформирования, определяемый, главным образом, совершенством кристаллитов и межмолекулярными водородными связями, у незрелых волокон уменьшается незначительно после воздействия магнитного поля. Этот результат является ожидаемым, так как магнитное поле позволяет в этих волокнах повысить структурное совершенство в поверхностной зоне, изменение которой не вносит существенного вклада в распространение упругих волн по всему объему волокна, а значит не должно наблюдаться и существенное изменение модуля деформирования. Поверхностно-чувствительной прочностной характеристикой является предел прочности на растяжение Стр. Как видно из табл. 23 уже при напряженности магнитного поля 200 и 300 КА/м. Значение стр волокон с длительностью роста 10 дней возрастает, хотя это возрастание и находиться в пределах доверительного интервала. Если же напряженность магнитного поля достигает 400 и 500 КА/м, то Стр незрелых волокон возрастает на 25% (табл. 23).
У зрелых волокон прочность на растяжение начинает значительно возрастать только при напряженности поля 400 и 500 КА/м и это возрастание составляет только 15% (табл. 23). Аналогично, после обработки зрелых и незрелых волокон в магнитном поле, изменяется и их относительное удлинение.
Таким образом, прочностно-деформационные характеристики зрелых и незрелых волокон значимо увеличиваются при обработке их в магнитном поле напряженностью 400 и 500 КА/м. Характеристики незрелых волокон после воздействия магнитного поля увеличиваются почти в два раза больше по сравнению со зрелыми, что обуславливает выравнивание прочностных свойств рассматриваемых волокон.
Расчет вероятности неразрушения стержня, вращающегося соосно с камерой пневмомеханического прядения
Хлопок, как это было показано в первой главе, является в настоящее время и будет в перспективе одним из основных видов волокон, перерабатываемых в текстильной отрасли. В России доля хлопчатобумажных тканей составляет около (85-90)%. Еще более ярко выражено преимущественное использование хлопка в текстильной отрасли Ивановской области. В 2003 году в области количество ежегодно вырабатываемых тканей составило около 80% от производимого среднегодового объема в 1986-1990 годы (данные департамента промышленности областной администрации). И если в 1986-90 годах доля хлопчатобумажных тканей составляла 91% от общего объема, то в 2003 году - 98%.Доля же льняных тканей, которые можно производить из местного сырья, уменьшалась в рассматриваемый период более чем в два раза. Поскольку количество пряжи, получаемой в Ивановской области в 2003 году, было меньше по сравнению с 1990 годом в 2,5 раза, то отсюда следует, что хлопчатобумажную ткань Ивановны вырабатывают из привозной пряжи.
Учитывая значительную стоимость хлопка и непредсказуемые колебания цен на это сырье - это с одной стороны, а с другой - большое количество волокнистых отходов в предпрядении, а также увеличение, по данным «Cotton Outbook», потребления хлопка в сравнении с производством его, исключительную актуальность приобретает использование хлопка пониженных сортов и отходов в смесках для получения пряжи первого и второго сортов. По вопросам технологии переработки волокнистых хлопковых отходов, а также хлопка пониженных сортов выполнены систематизированные исследования в исследовательских институтах: ЦНИХБИ, ИВНИТИ, НИИТП (г. Барнаул), НИИТП (г. Ленинград), а также в учебных вузах текстильного профиля. Опытно-производственные работы проведены на многих текстильных предприятиях, например прядильно-ткацкой фабрике в г. Фурманов, АООТ «Томна», хлопчатобумажном комбинате в г. Тейково, АООТ «Куровской текстиль». Получены важные данные: о технологических свойствах исходных волокон в отходах и хлопка пониженных сортов, а также получаемой пряжи; о возможных составах смесок с вложением волокнистых отходов и хлопка V, VI сортов; о возможных технологических цепочках и параметрах технологических процессов подготовки к прядению волокнистых отходов, а также технологии прядения указанных выше смесок. Из анализа полученных результатов следует, что: для производства пряжи используются самые ценные отходы -очесы гребенной и кардный, а также орешек трепальный; при получении пряжи линейной плотности до 40 текс вложения отходов составляют (5-10)%, если же вложения отходов достигает десятков процентов, то линейная плотность получаемой пряжи составляет (50-200) текс; при получении пряжи из отходов и хлопка V, VI сортов без добавления хлопка 1-И сортов, линейная плотность получаемой пряжи превышает 100 текс, достигая в некоторых случаях значения 220 текс. Во многих работах, например монографии [20 стр. 335] отмечается, что при переработке смесок, включающих хлопок пониженных сортов, нарушается стабильность технологических процессов, снижается качество пряжи, а также производительность оборудования. Таким образом, разработка технологии подготовки волокон пониженной технологичности (хлопок из отходов и низких сортов) к прядению и совершенствование процесса прядения актуальны и в настоящее время. Многие зарубежные фирмы, например Trutzschler, Salrer, Temafa (Германия), Rieter (Швейцария), Laroche (Франция), Torigoe и Ohara (Япония), Rando (США), Autera (Австрия) разрабатывают и совершенствуют оборудование для переработки хлопчатобумажных отходов.
В данной работе решается задача получения пряжи повышенного качества из смесок, содержащих волокнистые отходы и волокна пониженной зрелости, не только посредством изменения параметров технологии и используемого оборудования, но и повышения технологичности волокон путем воздействия на них магнитным полем.
Как следует из многочисленных публикаций, систематизированных работ многих фирм, например Ритер и Трютцшлер, основными принципами при подготовке волокнистых отходов к прядению должны быть следующие: минимальное укорочение волокон; снижение засоренности волокон, то есть удаление частичек листьев, стебельков, коробочек, и раздробленных семян хлопчатника; удаление волокон с явно выраженными пороками-узелками, жгутиками, перебитыми участками; сохранение прочности волокон посредством уменьшения их повреждений; минимальное выпадение прядомых волокон; минимизация производственных затрат.
