Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы 7
1.1. Роль пневмопрядения в получении пряжи 9
1.2. Использование волокон из отходов хлопчатобумажного производства и их прядомые свойства 13
1.3. Особенности структуры и свойств волокон хлопчатника разной степени зрелости 22
1.4. Модифицирование волокон - способ повышения их технологичности 29
2. Методики проведения исследований 39
2.1. Инфракрасная спектроскопия 39
2.2. Рентгеноструктурный анализ 40
2.3. Определение коэффициента тангенциального сдвига 42
2.4. Определение характеристик прочности 44
2.4.1. Модули деформирования и упругости 44
2.4.2. Получение кривых растяжения, предела прочности и относительной деформации перед разрушением 47
2.5. Электрические свойства волокон 48
2.6. Оценка энергетического состояния поверхностных зон волокон 49
2.7. Определение показателя двулучепреломления 51
2.8. Определение стандартных характеристик волокон и пряжи 52
3. Исследование структуры и свойств волокон астраханского хлопка разной зрелости 53
3.1. Структура волокон молекулярного уровня 53
3.2. Структура надмолекулярного уровня 63
3.3. Геометрические характеристики волокон разной зрелости и их дефектность 66
3.4. Прочностные свойства волокон 73
3.5. Резистометрические свойства волокон разной зрелости 76
3.6. Показатель двулучепреломления волокон разной зрелости 79
3.7. Фрикционные свойства волокон 81
3.8. Визуализация поля около поверхности волокон в среде жидкого кристалла 90
4. Разработка технологии подготовки волоконистой ленты к пневмомеханическому прядению с использованием коронного разряда 94
4.1. Физическая модель коронного разряда, образованного под иглами и математическое описание ее 95
4.2. Влияние коронного разряда на структуру и свойства хлопка-волокна разной зрелости 110
4.2.1. Структура молекулярного уровня волокон разной зрелости после воздействия коронного разряда 112
4.3. Изменение характеристик прочности, электрических и фрикционных свойств волокон разной зрелости после воздействия коронного разряда , 117
4.3.1. Изменение характеристик прочности 117
4.3.2. Изменение электрического сопротивления волокон 119
4.3.3. Изменение фрикционных свойств волокон 121
5. Разработка технологии переработки смесок, содержащих волокна пониженной зрелости или улюк на оборудовании фирмы «RIETER» 125
5.1. Обоснование выбора технологического оборудования и характеристика волокон, входящих в состав смесок 125
5.2. Результаты переработки смесок по технологии, принятой на предприятии 131
5.3. Технология переработки хлопка 5 типа I сорта в смеси с улюком 133
5.4 Технология переработки хлопка 5 типа I сорта в смеси с волокнами пониженной зрелости 138
5.5. Экономическая эффективность выполненных разработок 144
5.5.1. Состояние текстильной отрасли России и возможности повышения ее эффективности 144
Основные выводы по работе 147
Список используемой литературы
- Использование волокон из отходов хлопчатобумажного производства и их прядомые свойства
- Определение коэффициента тангенциального сдвига
- Геометрические характеристики волокон разной зрелости и их дефектность
- Влияние коронного разряда на структуру и свойства хлопка-волокна разной зрелости
Введение к работе
Важнейшим показателем эффективности работы текстильных предприятий является себестоимость продукции. Этот показатель, в значительной мере, определяет конкурентоспособность производимой продукции. Доля хлопчатобумажных тканей, выпускаемых текстильной отраслью» России, составляет около 90%. Доля же пряжи, получаемой пневмомеханическим способом прядения, превышает 90%. Учитывая также, что в прядении затраты на сырье составляет около 50% от общего объема затрат, можно с уверенностью констатировать актуальность решения проблем, связанных с более полной переработкой хлопка. Затраты на хлопок можно существенно снизить, если использовать волокна пониженной зрелости, доля которых в общей волокнистой массе составляет около 12%, а также волокнистых отходов, доля которых в прядении может достигать 50% и более. По данным зарубежных фирм, например RIETER и TRUETZSCHLER, затраты на создание цепочек по переработке волокнистых отходов окупаются в течение года.
По прогнозам международных и российских организаций: COTTON OUTLOOK, CIRFS Organon Fibers, информационно-аналитического агентства АНИТЭКС, Русского хлопкового сообщества в ближайшие годы потребление хлопка превысит производство его, что повысит актуальность решения проблем по использованию волокнистых отходов и незрелых волокон.
Наиболее эффективное использование волокнистых отходов и волокон пониженной зрелости - это добавка этих волокон в смески с хлопком повышенных сортов и получением пряжи 1-2 сортов. Достичь такого результата, используя только новое и модернизированное оборудование, в том числе и зарубежных фирм, которое позволяет реализовывать только механические воздействия на волокна, как показала практика, невозможно. Продуктивным может быть путь модифицирования волокон посредством
физических воздействий в ходе подготовки их к прядению. Для реализации
такого направления по переработке указанных выше волокон в смесках с волокнами І-ІІ сортов необходимо детальное исследование структуры на всех уровнях и свойств волокон хлопчатника разной длительности их роста, а также после различных воздействий. Причем, очень важно понимание мало изученных особенностей фазового состава и строения поверхностных зон волокон толщиной около 1 мкм, так как именно эти зоны определяют технологически значимые характеристики свойств волокон.
Использование волокон из отходов хлопчатобумажного производства и их прядомые свойства
Годовой объем производства хлопка на Земле существенно колеблется в различные годы. В последние десять лет масса производимого хлопка возросла с 19 млн. тонн до 25-26 млн. тонн (табл.1). Многие страны, особенно Китай, Пакистан, Турция, Азербайджан существенно увеличили потребление хлопка. Особенно это заметно в Китае: в сезоне 2006-07 годов производство хлопка в Китае будет почти в два раза ниже по сравнению с потреблением. Наращивают переработку хлопка многие страны юго восточной Азии и Африки. В ближайшем будущем, как; видно из таблицы 1, потребление хлопка существенно превысит производство. Эта тенденция просматривается и в. последние 11 лет: для 8 лет из 11 характерно превышение потребления в сравнение с производством. Из стран, являющимися основными производителями хлопка. (Китай; США, Индия, Пакистан, Бразилия, Узбекистан), только в США наблюдается» снижение потребления и рост производства. В условиях возможного дефицита хлопка актуальность более глубокой переработки этого сырья и, главным образом, путем использования волокнистых отходов, возрастет. Кроме этого, экономически может оказаться целесообразным производить хлопок в самых северных регионах хлопкосеяния: Турции, Греции, Болгарии, юге России; Отличительная же особенность, улюка, отходов прядильного производства, хлопка- из северных регионов хлопкосеяния состоит в том; что оншсодержат значительную долю волокон пониженной зрелости. Эти волокна, по некоторым данным; составляют около 12 % в общей массе производимого хлопка; Значительной части импортируемого в Россию хлопка характерна довольно высокая засоренность, что видно из рис.1, накотором представлено соотношение хлопка разных классов и засоренности, поставляемого в Россию из Узбекистана, Казахстана и Таджикистана. Доля хлопка средней и обычной засоренности, а также сорного составляет около 70 % (рис.1). Кроме этого, в отходах хлопка содержится до 50 % и более сора. Таким образом, для разработки оптимальной технологии по максимально полной переработке производимого хлопка и отходов необходимо знание структуры и свойств волокон хлопчатника различной зрелости и возможностей удаления из волокон неволокнистых примесей без удаления и повреждения прядомых. волокон.
Из сказанного следует, что для научно обоснованного проектирования процессов текстильной технологии, в частности прядильного производства, необходимы исследования структуры и свойств волокон разной зрелости, физики, химии и механики различных процессов, а также механизмов внешних воздействий на волокна с целью их очистки и модифицирования. Модифицированием можно улучшить как технологические, так и потребительские свойства волокон.
На заключительном этапе прядильного производства - получении пряжи одним из способов прядения, под технологичностью волокон понимают их прядильные свойства. Представления о прядильных свойствах волокон с течение времени изменяются [34-42]. Классики текстильного материаловедения в России [35, 36, 42] предложили под прядильной способностью волокна понимать максимальную длину пряжи, полученную из 1 кг волокон и обладающую стандартной относительной прочностью. Нахождение прядомых свойств волокон в соответствии с вышеприведенным определением требует экспериментального прядения многих вариантов пряжи из исходных волокон и отходов, то есть эта процедура довольно трудоемкая. Кроме этого, при изменении используемого оборудования, средств контроля и регулирования процессов получения пряжи, а также систем автоматизации, прядомые свойства одних и тех же волокон будут изменяться. То есть, определенные таким образом прядомые свойства волокон на самом деле являются не только характеристикой волокон, но и используемого оборудования. Оборудование же в настоящее время изменяется очень динамично, например первое поколение промышленных пневмопрядильных машин появилось около 35 лет назад, а в настоящее время предложено уже пятое поколение- этого вида прядильных машин. В предложенных аналитических выражениях определения прядильных свойств волокон учтены не все важные, с точки зрения реализации процессов прядения, свойства волокон, например фрикционные. Во многих случаях на российских текстильных предприятиях находили только значение коэффициента зрелости, характеристики длины и тонины волокон. Прочность определяли по таблицам, в которых эта характеристика однозначно связана с величиной коэффициента зрелости. В последнее время, кроме традиционных характеристик длины- и распределения по длине, прочности, линейной плотности, коэффициента зрелости, неоднородности волокон, для определения их прядомых свойств используют характеристики жесткости, засоренности, дефектности, цвета [43 - 46]. Например в заключении «Cotton Outlook» по хлопку Узбекистана важнейшими недостатками волокон этой страны признаны повышенное число узелков и. доли коротких волокон.
Если проанализировать процессы дискретизации и транспортирования волокон, формирования ленточки, кручения и наматывания пряжи, получаемой пневмомеханическим способом, то выясняется, что одно из важнейших условий оптимального протекания указанных выше процессов и формирование более однородной структуры пряжи - это соответствующее значение коэффициента тангенциального сдвига волокон при движении друг относительно друга и по поверхности рабочих органов. Фрикционные свойства оказываются важными или критичными на следующих этапах пневмопрядения: в зоне дискретизации дискретизирующий барабанчик,, вращаясь со скоростью свыше 20 м/с и вытягивая волокна (комплексы волокон) из бородки, действует на волокна с силой, достигающей часто нескольких сантиньютонов
Определение коэффициента тангенциального сдвига
Рентгеноструктурные исследования проведены на дифрактометре ДРОН-3, с использованием излучения СиКа, выделенного сбалансированным Ni - Со фильтром. Съемку осуществляли по схеме «на просвет». Степень кристалличности целлюлозы (Р) рассчитана по уравнению [75]: Р = 9[l + K(w- )] (3), где: ф - определяемая рентгенографически доля рассеяния рентгеновских лучей от кристаллических областей целлюлозы в образце; F К = - - - коэффициент, равный отношению рассеивающих способностей ц лигноуглеводной матрицы (FM) и целлюлозы (FJ; wu - содержание целлюлозы в образце. Значение коэффициента К=0,3 для смесей лигнина и гемицеллюлозы с целлюлозой различной степени кристалличности [75]. Величина ф найдена по уравнению \ где Акр=А0бр-АдИф - интегральная интенсивность рассеяния кристаллическими областями целлюлозы, имп; А0бР - интегральная интенсивность рассеяния образцом в интервале углов дифракции 20=7,0...35,5, имп; Адиф - интегральное диффузное рассеяние, имп; R -коэффициент, учитывающий некогерентное (комптоновское) рассеяние рентгеновских лучей. Сферическая симметрия рассеяния рентгеновских лучей достигнута путем измельчения элементарных волокон (до 0,5 мм и менее) с последующим прессованием в таблетку под давлением 2 МПа, а таюке вращением образца при записи дифрактограмм. Волокна предварительно высушены при 60С и помещены в герметичную ячейку, которую закрепляли в гониометрической приставке ГП-13. Размеры кристаллов рассчитаны по формуле Шеррера [74]; L = - (5), Pcos9 где А- - длина волны ренгеновского излучения, нм; р - исправленная ширина анализируемого рефлекса, рад; 0 - угловое положение рефлекса, град. Исправленную ширину рефлексов находили по уравнению р = л/в2-ь2 (6), где В - экспериментальная ширина анализируемых рефлексов, рад; b - ширина рефлекса эталонного образца, рад. Величины В и b определены на уровне половины высоты максимума рефлекса после вычета фона и аморфного гало. Для расчета b использован рефлекс при 20=20,5 от поликристаллического образца D-глюкозы.
Определение коэффициента тангенциального сдвига (КТС)
Для характеристики фрикционных свойств волокон использовано значение силы сопротивления движению одного волокна по другому - силы тангенциального сдвига Т, определяемой силой трения Амонтона Fa и силой цепкости Fu между волокнами. При этом КТС волокон ц. определяется по формуле [100-102]: F +F pN + a-S. V = - - = - (7), NN w где: N — сила нормального давления; (3 - коэффициент трения по закону Амонтона; Эф - фактическая площадь контакта волокон; a - коэффициент, учитывающий цепкость волокон. Сила тангенциального сдвига одного волокна по другому определена на установке (рис. 7), разработанной на кафедре физики. Волокно 3 закреплено и натянуто с помощью грузика, оно движется, прижимаясь к волокну 2 с силой N (рис. 7). Сила N измеряется торсионными весами 1 с точностью 5дН. Сила сопротивления движению одного волокна по другому смещает пластину 7 со стрелкой и регистрируется фотодиодами
5. При движении волокон волокна зацепляются, нагрузка возрастает, а затем происходит страгивание подвижного волокна. Значение силы Т в моменты страгивания волокна определяет статическое значение КТС волокон, а среднее значение Т в ходе движения одного волокна по другому — динамическое значение КТС.
Геометрические характеристики волокон разной зрелости и их дефектность
Линейная плотность и длина волокон являются важнейшими характеристиками, определяющими их прядомые свойства. В технологии важны не только усредненные характеристики длины, но и распределение волокон по группам длин. С этой точки зрения наглядное представление о волокнистой массе дают штапельные диаграммы астраханского хлопка разной длительности роста: 60, 20 и 7 дней. Первый из этих вариантов - это зрелый хлопок, второй - хлопок, у которого длина волокна уже приобрела конечное значение, а сечение.еще находится на первой стадии роста. Третий вариант - волокна с длительностью роста 7.дней, которые еще растут вдоль, и перпендикулярно оси волокна. Штапельные диаграммы волокон соответствующей длительности роста представлены на рис. 13. Как видно, на штапельных диаграммах в явном или неявном виде имеется три максимума: (10-И2) мм, (20-22) мм и (30-ь32) мм. Интересным и важным является факт наличия на всех диаграммах, в том числе и у зрелых волокон, максимума, соответствующего длинам волокон (10-12) мм. Это, по сути, означает, что некоторая часть волокон (около 30%) не вырастает вплоть до полного вызревания коробочки и селекционером есть над чем работать. С точки же зрения технологии из этих данных следует, что получая даже зрелый хлопок нужно иметь в виду наличие в нем коротких волокон и создавать технологию, позволяющую использовать эти волокна. Коэффициент же зрелости большинства коротких волокон достаточно высок, так как доля волокон из созревших коробочек с коэффициентом зрелости К 1 составляет (4,8 7,9)% (табл. 12).
Данные табл. 12 являются усредненными и получены по результатам анализа разных партий хлопка поставляемых на ОАО «Росконтракт-Камышин». Второй максимум находится в интервале (20-22) мм. У зрелых и самых незрелых (7 дней роста) волокон этот максимум явно выражен (рис. 13). Только у зрелых волокон этот максимум, является промежуточным, а у волокон с длительностью роста 7 дней — основным. При длительности роста волокон 20 и 60 дней основной максимум на штапельной диаграмме находится в интервале (30-32)/ мм. Штапельная длина волокон, которые росли 20 дней, превышает эту величину у зрелых волокон, что объясняется меньшей-извитостью волокон пониженной зрелости.
Геометрические характеристики и дефектность волокон разной зрелости представлены в табл. 13, а распределение их по группам зрелости на рис. 14. Как видно из рис. 14 гистограмма для зрелого хлопка практически полностью совпадает с ниспадающей прямой, а гистограммы незрелых волокон имеют вид треугольника. При этом доля волокон взятых из незрелых коробочек, у которых коэффициент зрелости более 1,3, очень маленькая. В действительности коэффициент зрелости волокон из незрелых коробочек еще ниже по сравнению с данными на рис. 14, так как в ходе высыхания коробочек степень зрелости волокон возрастает. Извитость волокон при снижении длительности их роста до 7 дней уменьшается практически до нуля, а линейная плотность примерно в 1,5 раза (табл. 13). Дефектность же волокон при уменьшении их длительности роста снижается и, что очень важно: на незрелых волокнах в 2,5-5 раз меньше самых опас Сопоставляя технологичность волокон по их геометрическим параметрам нужно отметить следующее: незрелым волокнам длительностью роста около 20 дней характерны повышенная штапельная массодлина, пониженные линейная плотность и дефектность. Эти особенности незрелых волокон обуславливают повышение их технологичности, так как при этом увеличивается максимально возможный номер вырабатываемой пряжи и снижается ее жесткость; у незрелых ных поперечных трещин. волокон пониженная извитость и повышенное количество коротких волокон, что обусловит, в сравнении со зрелыми волокнами, более низкое значение характеристик фрикционных свойств и повышенную долю хаотично движущихся волокон при вытягивании. Эти особенности незрелых волокон снижают их технологичность.
В сравнении с кубанским хлопком волокнам астраханского хлопчатника характерны повышенные на 1-2 мм длина волокна, а также извитость и меньшее на (5-15)% количества дефектов, обусловленных условиями роста: наростов бугорков, утонений, уплощений, изломов.
Влияние коронного разряда на структуру и свойства хлопка-волокна разной зрелости
Данные предыдущего раздела и аналитического обзора литературы позволяют сделать вывод о важности и эффективности модифицирования хлопка путем использования коронного разряда. Для реализации этой возможности необходимо знать закономерности изменения структуры и свойств волокон хлопчатника разной длительности роста при воздействии на них коронного разряда. Волокна исследованы в исходном состоянии, а также после обработки в коронном разряде 20 минут и 20 секунд. Разное время было выбрано из следующих соображений: 20 секунд примерно соответствует времени движения ленты из таза до уплотнительной воронки, на этом участке волокна ленты можно обработать в коронном разряде без изменения существующей технологии пневмопрядения; 20 минут использовано для выяснения целесообразности увеличения времени выдержки волокон в коронном разряде свыше 20 секунд. Это с одной стороны, а с другой — 20 минут обрабатывали волокна в униполярном коронном разряде, а 20 секунд - в биполярном. Под биполярным коронным разрядом в данном случае понимается разряд, когда на коронирующие иглы подается потенциал с периодически изменяющемся знаком — через промежуток времени равный 1,5 с (рис. 25). Изменение потенциала через 1,5 с. выбрано в соответствии с расчетами по формулам 43-47, и данными о времени установления максимального значения скорости электрического ветра. Из этих расчетов следует, что скорость электрического ветра и электризация волокон достигает максимума за промежуток времени менее одной секунды. Следовательно, выбрав продолжительность коронного разряда при неизменном знаке потенциала на коронирующих иглах равным 1,5 с можно обеспечить эффективное модифицирующее воздействие разряда на волокна.
В последующем, подавая на коронирующие иглы потенциал противоположного знака, происходит не только ликвидации экранирования волокна от движущихся ионов электрическим полем, созданным ионами, осевшими на волокно, но и обеспечивается притяжение ионов этим полем, так как при изменении знака потенциала на коронирующих иглах изменяется и знак модифицирующих ионов.
Для выяснения изменений структуры волокон в поверхностной зоне использованы ИК-спектроскопии - метод НПВО, и анализ интерференционной картины около поверхности волокон в жидком кристалле. То есть, исследовали только поверхностные зоны, так как по литературным данным [81-85] в плазменных системах модифицирование волокон происходит только в этих зонах. Данные ИК-спектроскопии представлены в таблице 20, а результаты исследования волокон с использованием нематической мезофазы в таблице 21 и на рисунке 24.
Как уже было отмечено ранее, на волокнах в исходном состоянии при уменьшении их длительности роста наблюдается существенное снижение оптической плотности на частотах, соответствующих: валентным колебаниям гидроксильных групп, включенных в водородные связи (3600-3000 см"1), и взаимосвязанным деформационным колебаниям различных функциональных групп, находящихся в кристаллитных (1430 и 1315 см"1) и аморфных (1160 и 1060 см"1) образованиях (табл. 20). При уменьшении значения коэффициента зрелости волокон от 1,98 до 0,9 в несколько раз возрастает относительная полуширина полос при указанных выше частотах (табл. 20). Таким образом, при уменьшении длительности роста волокон упорядоченность расположения функциональных групп в целлюлозе поверхностной зоны волокон снижается о чем свидетельствует уменьшение значения оптической плотности поверхностной зоны. Неэквивалентность положения функциональных групп возрастает, о чем можно судить по росту относительной полуширины полос (табл. 20).
После обработки волокон в биполярном коронном разряде, то есть при изменении через каждые 1,5 с полярности коронирующих электродов, оптическая плотность всех полос у зрелых волокон уменьшается в 2-3 раза, а у незрелых возрастает в 1,5-2 раза (табл. 20). Относительная полуширина полос у зрелых волокон возрастает, а у незрелых - снижается [136].
Указанные изменения свидетельствуют о том, что в коронном разряде на поверхности зрелых волокон превалируют процессы деструкции, а у незрелых - рекомбинации и аннигиляции.
После обработки в коронном разряде энергетическое состояние поверхностных зон волокон в ходе их вызревания (табл. 21) изменяется не так существенно. Размер зон жидкого кристалла с покаженной гомеотропной ориентацией у зрелых волокон снижается в 1,3 раза - на 0,7 мкм, а у незрелых возрастает на 3 мкм (табл. 21). С учетом точности измерения значений толщины зоны ЖК с искаженной гомеотропной ориентацией и температуры перехода ЖК в изотропное состояние изменение этих параметров после воздействия коронного . разряда несущественно превышает величину доверительного интервала. Такое отличие в изменении под действием коронного разряда характеристик ИК-спектров и параметров» интерференционных картины в жидком кристалле есть свидетельство существенного влияния- на энергетическое состояние поверхностной зоны, волокна нецеллюлозных образований. Изменение этих образований под действием коронного разряда, видимо, не столь существенно в сравнении с целлюлозной. Как видно из рисунка 24, переход нематика в изотропное состояние у поверхности волокон до обработки их в коронном разряде преимущественно начинается в зонах между волокнами (рис. 24а). После же обработки в коронном разряде, зародыши изотропной фазы нематика практически с одинаковой вероятностью возникают около поверхности волокон и в зоне между ними (рис. 246). Значение температуры перехода нематика в изотропное состояние Tiso у зрелых волокон после обработки их BS коронном разряде снизилось на 4%, а у незрелых возросло на (1,5-4)% (табл. 21). Величина А снизилась у зрелых и возросла у незрелых в такой же пропорции, как и Tiso (табл. 21). Следовательно уровень сил, в возникающих около поверхности волокон полях и их дальнодействие изменяются под воздействием коронного разряда примерно одинаково.
