Введение к работе
Актуальность темы. Вступление нашей страны во Всемирную торговую организацию (ВТО) предъявляет дополнительные требования к производству качественного шерстяного сырья для отечественной текстильной и легкой промышленности. Исходя из этого, в настоящее время в области текстильного материаловедения возникла новая важная задача – придание конкурентоспособных преимуществ отечественным текстильным материалам за счет направленной модификации исходного сырья.
В связи с низким качеством отечественного шерстяного сырья перед предприятиями первичной обработки шерсти (ПОШ) стоит задача повышения качества выпускаемой ими продукции при минимальном увеличении себестоимости. Для улучшения физико-механических и технологических свойств шерсти необходима разработка производственного цикла, позволяющего улучшать показатели свойств шерстяного сырья, поступающего на отечественные предприятия ПОШ.
В настоящее время существует ряд методов, позволяющих улучшать показатели свойств сырья в процессе первичной обработки шерсти: применение аэроионной обработки, ИК-излучения, электроразрядной нелинейной объемной кавитации, СВЧ-энергии, плазмохимических процессов в тлеющем и барьерном разрядах. Электрофизические методы модификации шерстяного сырья являются экологически чистыми и менее затратными по сравнению с традиционными методами. Существенным недостатком данных методов является то, что ни один из них не дает комплексного положительного эффекта улучшения свойств шерстяных волокон в процессе их первичной обработки.
Результаты исследований последних лет показывают, что обработка капиллярно-пористых материалов с помощью потока плазмы высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления позволяет улучшать одни заданные свойства, не ухудшая остальные. Выше изложенное дает основание предположить возможность применения плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления для модификации шерстяного сырья с целью направленного улучшения физико-механических и технологических свойств волокон в процессе первичной обработки.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы – получение шерстяных волокон с комплексом улучшенных физико-механических и технологических характеристик за счет модификации шерстяного сырья плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления в процессе его первичной обработки.
Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском технологическом университете в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 года» (ГК 02.740.11.0497) по плану аспирантской подготовки.
Цель и задачи работы. Целью работы является создание шерстяных волокон с улучшенными характеристиками физико-механических и технологических свойств за счет модификации шерстяного сырья потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления в процессе первичной обработки шерсти.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
проведение анализа существующих способов повышения комплекса свойств шерстяного волокна в процессе их первичной обработки;
-
выбор объектов, определение методов и методик исследования;
-
исследование влияния плазменной обработки на физико-механические и технологические характеристики шерстяных волокон в процессе их первичной обработки;
-
разработка схемы технологического процесса получения шерстяных волокон с улучшенными показателями физико-механических и технологических свойств за счет использования плазменной обработки ВЧЕ разряда пониженного давления.
Методы исследований. В качестве объектов исследования выбраны шерсть овечья мериносовая I длины (ГОСТ 26383-84), полутонкая однородная I длины (ГОСТ 6614-84), полугрубая неоднородная высшего сорта I длины (ГОСТ 26588-85). Для установления влияния потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на свойства шерстяных волокон использованы методики определения разрывной нагрузки пучка волокон (ГОСТ 20269-93), усадки, гигроскопичности, водопоглощаемости, показателя белизны, содержания массовой доли нешерстяных компонентов (ГОСТ 29239-91) и жира (ГОСТ 21008-93), определения кислотной и щелочной растворимости.
Изучение структуры и химического состава модифицированных и контрольных образцов шерстяных волокон проведены с помощью: электронно-микроскопических исследований поверхности и поперечного среза; методов ИК-спектроскопии; рентгеноструктурного анализа; дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК); термогравиметрического анализа (ТГА). Измерения проведены в соответствии с нормативно-технической документацией на оборудовании центра коллективного пользования «Нанотехнологии и наноматериалы».
Результаты измерений обработаны методом математической статистики и оптимизации параметров технологических процессов в программе «Statistica 6.0», погрешность результатов оценена с помощью методов статистической обработки экспериментальных данных при доверительной вероятности 0,95.
Научная новизна работы.
-
Установлено, что в результате воздействия плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на шерстяное сырье в процессе его первичной обработки происходит модификация волокна как на поверхности, так и во всем его объеме. Поверхностная модификация шерстяного волокна приводит к изменениям кутикулярного слоя: при использовании инертного газа наблюдается увеличение неровности поверхности профиля, а при применении смеси углеводородных газов – сглаживание неровности поверхности профиля. Объемная плазменная модификация способствует конформационным изменениям макромолекулы, разрыву или усилению межмолекулярных связей.
-
Установлено, что показатель белизны шерстяных волокон, модифицированных плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления в процессе первичной обработки, зависит от вида плазмообразующего газа. Применение инертного газа в процессе плазменной модификации шерстяного сырья позволяет повысить показатель белизны волокон.
-
Экспериментально доказано, что плазменная модификация шерстяного сырья в процессе его первичной обработки приводит к усадке волокон. Изменение показателя усадки обусловлено усилением водородных связей между амино-группами и гидроксилами боковых цепей -спирали и амино-кислотными остатками матрикса вследствие чего происходит уплотнение надмолекулярной структуры полипептидной цепи.
-
Впервые установлено, что на изменение сорбционных свойств модифицированного шерстяного сырья существенное влияние оказывает изменение ассоциативной структуры волокон шерсти. В результате плазменной модификации шерстяного сырья в среде инертного газа происходит образование ассоциатов за счет водородных взаимодействий ОН-группировок. При модификации шерсти в смеси аргон-пропан-бутан происходит нарушение ассоциативной структуры волокна вследствие образования на его поверхности углеродного слоя, обладающего гидрофобизирующими свойствами.
-
Впервые экспериментально установлено, что в результате плазменной модификации шерстяного сырья происходит уменьшение содержания массовой доли нешерстяных компонентов за счет распыления загрязнений на поверхности волокна, а использование инертного газа в процессе модификации способствует лучшему проникновению моющего раствора внутрь волокна и вымыванию нешерстяных компонентов и жира благодаря раскрытию чешуек кутикулы.
-
Выявлено, что эффект плазменной обработки зависит от плотности волокна: у образцов с плотной структурой происходит значительное увеличение относительных значений физико-механических и технологических показателей по сравнению с более рыхлыми по структуре образцами.
Практическая значимость работы.
-
Установлены технологические параметры плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления, позволяющие направленно регулировать сорбционные характеристики шерстяного сырья в процессе его первичной обработки.
-
Определены режимы плазменной модификации шерстяного сырья, позволяющие повысить прочностные характеристики волокон на 30 – 39% в зависимости от вида волокна
-
Выявлено, что плазменная модификация шерстяного сырья позволяет интенсифицировать процесс его первичной обработки, сократить продолжительность процесса промывки и сушки на 13 % и расход химреагентов (сульфанола и кальцинированной соды) на 18%.
-
Разработана схема комплексной энерго-и ресурсосберегающей технологии получения шерсти с регулируемыми показателями физико-механических и технологических свойств.
На основании разработанной технологической схемы проведены опытно-промышленные испытания на ОАО «Борская фабрика ПОШ» (п. Неклюдово, Нижегородская область), по результатам, которых имеется акт внедрения. Суммарный экономический эффект от внедрения технологии получения модифицированных шерстяных волокон с применением потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления составляет 1,3 млн. руб. в год.
На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментальных исследований, доказывающие, что плазменная модификация шерстяного сырья в процессе первичной обработки позволяет улучшать физико-механические и технологические характеристики волокон.
-
Результаты исследования влияния образования ассоциативной структуры на показатели сорбционных свойств модифицированных шерстяных волокон.
-
Результаты экспериментальных исследований, устанавливающие, что изменение поверхностных свойств модифицированных шерстяных волокон в зависимости от используемого плазмообразующего газа и режима плазменной обработки влечет за собой изменение физических свойств.
-
Результаты исследований влияния плазменной обработки на структуру волокон, показывающие, что модификация шерстяного сырья плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления приводит к увеличению кристаллической фазы кератина.
5. Рекомендации по применению плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления в промышленных условиях первичной обработки шерсти, позволяющей регулировать показатели физико-механических и технологических свойств шерстяных волокон.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит: в выборе и обосновании методик экспериментов; непосредственном участии в проведении экспериментов; анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов, в разработке технологических процессов с при
Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Научной сессии КНИТУ (Казань, 2012), международно-практической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легко промышленности (Прогресс 2010)» (Иваново, 2010); III международной научно-практической конференции «Современные экологически безопасные технологии производства кожи и меха» (Киев, 2010); VI- VIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности» (Казань, 2010-2012); VII, VIII Mеждународной научно-практической конференции «Кожа и мех в 21 веке: технология, качество, экология, образование» (Улан-удэ, 2011, 2012); I Bсероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы «Наноматериалы, нанотехнологии, наноиндустрия» (Казань, 2010); Mеждународной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2012, 2013), Mеждународной конференции «Физика высокочастотных разрядов» ICPRFD (Казань, 2011), научной школе с международным участием «Актуальные проблемы науки о полимерах» (Казань, 2011), XII Республиканская школа студентов и аспирантов «Жизнь в XXI веке» (Казань, 2012), Международной молодежной конференции «Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов» (Казань, 2012), Международной научной конференции и международной школы молодых ученых и специалистов «Плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы» (Казань, 2012).
Основные результаты работы изложены в 28 публикациях из которых 10 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 18 в материалах конференций.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из четырех глав. В тексте приведены ссылки на 164 литературных источника. Работа изложена на 172 стр. машинописного текста, содержит 52 рисунка, 16 таблиц и приложение.
