Развитие научных основ регулирования свойств целлюлозосодержащих трикотажных материалов с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы Азанова Альбина Альбертовна

Введение к работе

Актуальность темы

Повышение конкурентоспособности продукции легкой промышленности связано с улучшением ее качественных характеристик и снижением себестоимости путем внедрения технологий, основывающихся на передовых достижениях техники и технологий. Одной из перспективных и стабильно развивающихся подотраслей отечественной легкой промышленности является трикотажное производство, продукция которого становится все более популярной и востребованной. Более 50 % трикотажных материалов в нашей стране производится из хлопка и льна. Для российской промышленности особо значимым видом текстильного сырья является лен. С целью развития отечественной сырьевой базы и увеличения выпуска льняной продукции широкого ассортимента, соответствующей международным стандартам качества, разработана федеральная целевая программа «Развитие льняного комплекса России на период до 2020 года». В отличие от льна весь хлопок в нашей стране импортируется, что вызывает необходимость повышения эффективности его переработки и обеспечения выпуска конкурентоспособных трикотажных изделий с высоким уровнем потребительских свойств.

Важнейшая роль в формировании требуемых потребительских свойств трикотажных материалов принадлежит процессам окончательной отделки. Недостатком традиционных методов отделки, основанных на физико-химической обработке материалов в водных растворах, является то, что улучшение одних требуемых свойств сопровождается ухудшением других. Так, обеспечение необходимых показателей гигроскопических свойств, важных при колорировании, достигается обработкой сурового полотна растворами, содержащими щелочь и окислители, при высокой температуре. Это приводит к деструкции целлюлозы и, как следствие к потере прочности материалов, ухудшению грифа полотна. Формирование требуемых потребительских свойств целлюлозосодер-жащих трикотажных материалов на этапе отделки характеризуется высоким водо- и энергопотреблением и использованием разнообразных химических реагентов. Высокая стоимость красителей, занимающая значительный удельный вес в себестоимости продукции, делает необходимым повышение их выбираемости и степени фиксации волокном. Таким образом, существует актуальная проблема обеспечения необходимого уровня показателей гигроскопических свойств трикотажных материалов перед крашением без ухудшения механических свойств при од-

новременном снижении водопотребления, замене жидкофазных процессов на сухие и уменьшении расхода химматериалов.

Одним из путей решения данной проблемы может стать регулирование свойств целлюлозосодержащих трикотажных материалов с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы (ННТП) высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда, которая позволяет проводить не только поверхностную, но и объемную обработку волокнисто-пористых материалов. Работа направлена на решение актуальной проблемы получения целлюлозосодержащих трикотажных материалов с улучшенными показателями потребительских свойств за счет обработки неравновесной низкотемпературной плазмой.

Степень разработанности темы

Тема плазменной обработки текстильных материалов, а именно целлюлозосодержащих тканей и пряжи для ткацкого производства достаточно изучена отечественными и зарубежными исследователями. Однако в отличие от тканей трикотажные полотна получают из пряжи, предварительно обработанной парафинирующим составом, который наносится для облегчения процесса вязания. Кроме того, кругловязаное полотно подвергается отделке в виде «трубки», для чего необходима обработка не только внешней, но и внутренней поверхностей. Настоящая работа является продолжением научного направления, связанного с теоретическим обоснованием применения высокочастотной плазмы в производстве целлюлозосодержащих текстильных материалов, а именно трикотажных полотен и пряжи для трикотажного производства.

Цель и задачи работы

Целью работы является научное обоснование направленной модификации свойств целлюлозных волокон, пряжи и трикотажных полотен на их основе, обеспечивающей регулирование физико-механических и физико-химических свойств, за счет применения неравновесной низкотемпературной плазмы.

Для достижения поставленной цели решены следующие научно-исследовательские и практические задачи:

1. Анализ существующих методов модификации свойств целлюлозосодержащих текстильных материалов и обоснование возможности направленного регулирования свойств хлопчатобумажных и льняных трикотажных полотен и пряжи за счет обработки неравновесной низкотемпературной плазмой.

2. Обоснование выбора объектов, методов и методик исследований.

3. Экспериментальное исследование влияния ННТП на поверхностные, физико-химические свойства природных целлюлозных волокон в составе трикотажных материалов.

4. Экспериментальное исследование и установление закономерностей изменения физико-механических и физико-химических свойств целлюлозосодержащих трикотажных материалов в зависимости от параметров ННТП.

5. Разработка физико-математической модели, обосновывающей основные закономерности воздействия ННТП на целлюлозосодержащие трикотажные материалы.

1. Научно обоснован механизм целенаправленного изменения физико-механических и физико-химических свойств целлюлозосодержа-

Методы и объекты исследования. При выполнении работы применяли современные методы исследования: ИК-, УФ-, ЭПР- и ЯМР-спектроскопию, рентгеноструктурный анализ, термогравиметрию и дифференциальную сканирующую колориметрию, оптическую и электронную микроскопию, спектрофотометрию, масс-спектрометрию. Для определения показателей свойств целлюлозосодержащих трикотажных материалов использовали стандартные и общепринятые в данной области исследования методики. С целью оптимизации параметров ННТП применяли метод многофакторного планирования эксперимента и статистические методы обработки результатов экспериментов с помощью компьютерной программы «Statistica 6.0». При разработке модели плазменного воздействия на парафиновый слой целлюлозного волокна использовали метод Монте-Карло и систему программирования «MatLab». Разработку прототипа программы прогнозирования свойств модифицированных полотен и пряжи осуществляли с помощью программ «С#» и «Net.Framework 4.5». Полученные результаты сравнивали и сопоставляли с опубликованными экспериментальными и теоретическими данными других авторов.

щих трикотажных материалов в результате воздействия неравновесной низкотемпературной плазмы.

2. Установлено, что воздействие ННТП на поверхностность природного целлюлозного волокна вызывает удаление воскообразных веществ и парафинирующего состава, развитие микрорельефа, что ведет к изменению физико-механических и физико-химических свойств цел-люлозосодержащих трикотажных материалов: капиллярности, водопо-глощения, сорбции красителей, разрывной нагрузки, стойкости к истиранию.

3. В результате экспериментальных исследований установлены основные закономерности изменения физико-механических и физико-химических свойств целлюлозосодержащих трикотажных материалов в зависимости от параметров воздействия ННТП.

4. Впервые показано, что эффективность ННТП-обработки целлюлозосодержащих трикотажных материалов в плазмообразующей среде воздуха на 10-30 % выше, чем в среде аргона и превосходит показатели, достигаемые традиционной жидкофазной обработкой.

5. Впервые разработана физико-математическая модель воздействия ННТП на поверхность парафинированных нитей и волокон, теоретически обосновывающая эффекты плазменной обработки. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показали, что воздействие ионов плазмы на парафин, находящийся на поверхности целлюлозных волокон, приводит к изменению его молекулярно-массового распределения, появлению легкоудаляемых газообразных компонентов, образованию свободных алкильных радикалов, гидрофильных функциональных групп.

6. Показано, что применение ННТП позволяет регулировать свойства целлюлозосодержащих трикотажных материалов на стадии крашения и заключительной водоотталкивающей отделки и получать материалы с улучшенными потребительскими свойствами.

Практическая значимость работы

1. Определены параметры плазменного воздействия, позволяющие
регулировать основные физико-механические и физико-химические
свойства целлюлозосодержащих трикотажных материалов. Обработка
ННТП в среде воздуха в оптимальном режиме приводит к увеличению
смачиваемости (практически мгновенной), капиллярности - с 0 до
215 мм, водопоглощения - в 1,8 раз.

2. Получены целлюлозосодержащие трикотажные материалы с
улучшенными потребительскими свойствами:

хлопчатобумажные и льняные трикотажные полотна с увеличением интенсивности и равномерности окраски до 30 %; гигроскопичности, разрывной нагрузки и стойкости к истиранию до 15 %; снижением усадки до 15 %;

льняная пряжа с увеличением интенсивности окраски до 25 %; равномерности окраски до 40 % и удельной разрывной нагрузки до 25 %.

3. Показано, что плазменная обработка в среде воздуха позволяет исключить стадию отваривания целлюлозосодержащих трикотажных материалов перед крашением, сократить продолжительность жидкофаз-ного процесса крашения на 30-50 % и снизить концентрацию красителей в рабочих растворах на 10-30 %.

4. Показано, что хлопчатобумажные трикотажные полотна, обработанные ННТП в среде фторсодержащего газа, приобретают водоотталкивающую способность, что позволяет исключить из технологического процесса операцию пропитки гидрофобизирующими составами.

5. Разработаны рекомендации по применению ННТП в технологических процессах периодического и непрерывного крашения и заключительной водоотталкивающей отделки целлюлозосодержащих трикотажных материалов.

6. Разработан и внедрен в производство технологический процесс крашения хлопчатобумажного трикотажного полотна с применением ННТП. Суммарный экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 11,3 млн.руб. в год при объеме выпуска полотна 1000 т/год.

Результаты диссертационной работы внедрены на ООО «УФП» (г. Ульяновск), студии дизайна «SETA» (ИП Е.Ф. Сабирзянова, г. Казань) и ЗАО «Альянс» (г. Казань), прошли опытно-промышленные испытания на ООО «Колор» (г. Ульяновск) и ОАО «Агат» (г. Казань).

Положения, выносимые на защиту

1. Научные основы регулирования свойств целлюлозосодержащих трикотажных материалов за счет воздействия ННТП, базирующиеся на результатах теоретических и экспериментальных исследований плазменной модификации свойств волокон, пряжи и полотен.

2. Результаты экспериментальных исследований, устанавливающие, что воздействие ННТП на поверхностность природного целлюлозного волокна вызывает удаление воскообразных веществ и парафинирующего состава, развитие микрорельефа, что ведет к изменению физико-механических и физико-химических свойств целлюлозосодержащих

3. Физико-математическая модель воздействия ННТП на парафино
вый слой целлюлозных волокон, теоретически обосновывающая изме
нение физико-механических и физико-химических свойств целлюлозо-
содержащих трикотажных материалов. Результаты теоретических расче
тов и экспериментальные исследования показали, что воздействие ио
нов плазмы на парафин, находящийся на поверхности целлюлозных во
локон, приводит к изменению его молекулярно-массового распределе
ния, появлению легкоудаляемых газообразных компонентов, образова
нию свободных алкильных радикалов, гидрофильных функциональных
групп.

4. Основные закономерности изменения физико-механических и физико-химических свойств целлюлозосодержащих трикотажных материалов в зависимости от состава плазмообразующего газа и параметров плазменного воздействия.

5. Результаты экспериментальных исследований, показывающие, что плазменная обработка позволяет получать хлопчатобумажные и льняные трикотажные полотна с увеличением интенсивности и равномерности окраски до 30 %, гигроскопичности, разрывной нагрузки и стойкости к истиранию до 15 %, снижением усадки до 15 %; льняную пряжу с увеличением интенсивности окраски до 25 %, равномерности окраски до 40 % и удельной разрывной нагрузки до 25 %.

6. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие целесообразность применения ННТП для регулирования физико-химических и физико-механических свойств целлюлозосодержащих трикотажных материалов. Плазменная обработка в воздушной среде приводит к увеличению смачиваемости (практически мгновенной), капиллярности - с 0 до 215 мм, водопоглощения - в 1,8 раз. Обработка ННТП в среде фторсодержащего газа придает хлопчатобумажным трикотажным полотнам водоотталкивающую способность и позволяет исключить из технологического процесса жидкофазные операции пропитки гирофобизирующими составами.

крашения на 30-50 % и снизить концентрацию красителей в рабочих растворах на 10-30 %.

Степень достоверности и апробация результатов Представленные в работе результаты получены с использованием современных измерительных средств и апробированных стандартных методик испытаний, современных физических, физико-химических, химических методов анализа и математической обработки данных. Достоверность полученных результатов подтверждена взаимной согласованностью данных, полученных при использовании обозначенного комплекса методов исследования.

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях и семинарах: Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2011-2014); Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности» (Иваново, 2010-2013); Международной конференции «Физика высокочастотных разрядов» (Казань, 2011); Международной конференции «Plasma physics and Plasma technology» (Минск, 2012, 2015); Международной научно-технической конференции «Украинская научно-практическая интернет-конференция молодых ученых» (Хмельницкий, 2013, 2014); Всероссийской научно-практической конференции «Наноматериалы, нанотехнологии, наноиндустрия» (Казань, 2010); Международной научно-технической конференции «Образование и наука - производству» (Набережные Челны, 2010); Научно-практической конференции «Губернский стиль: русская провинция в контексте культуры» (Воронеж, 2010); Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 2011, 2014); Международной научно-практической конференции «Новые технологии и материалы лёгкой промышленности» (Казань, 2010 - 2016); Всероссийской научно-практической конференции «Экология и качество современных изделий легкой промышленности» (Киров, 2012); Всероссийской научно-практической конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (Новосибирск, 2013); Международной научно-практической конференции «Дизайн, технологии и инновации в текстильной и легкой промышленности» (Москва, 2014); Международной конференции «Development trends and innovative approach in textile industry» (Сербия, Белград, 2014).

Публикации. По теоретическим и практическим результатам диссертационной работы опубликовано 67 работ, в том числе 24 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов докторской диссертации, 33 статьи в других научных изданиях, патент РФ, монография и 8 тезисов докладов.

Личный вклад автора состоит в постановке проблемы, выборе направления и методов исследования, получении, научном анализе, обобщении и интерпретации результатов экспериментов. Диссертационная работа является обобщением исследований автора по комплексному экспериментальному и теоретическому исследованию влияния низкотемпературной плазмы ВЧЕ-разряда на целлюлозосодержащие трикотажные материалы, проведенных в период с 2008 по 2016 годы. Изложенные в диссертации результаты отражают самостоятельные исследования автора и его работы, выполненные в соавторстве.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 358 наименований, списка авторских публикаций и шести приложений. Основная часть диссертации содержит 346 страниц машинописного текста, включая 124 рисунка и 62 таблицы. Приложения представлены на 57 страни-

Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском технологическом университете в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме «Разработка технологии управления микроструктурой натуральных материалов легкой промышленности для отраслей экономики Российской Федерации (энергетического, строительного, нефтехимического и оборонно-промышленного комплекса)» (соглашение № 14.577.21.0019 от 05.06.2014), а также государственного задания в сфере научной деятельности (базовая часть) по теме «Создание научных основ и разработка новых высокоэффективных технологий модификации материалов различной физической природы, включая формирование наноструктур, электрофизическими и электрохимическими методами» (проект № 2196 от 01.02.2014).

Выражаю искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору И.Ш. Абдуллину за помощь, оказанную при работе над диссертацией, и доктору физико-математических наук B.C. Желтухину за ценные замечания и рекомендации.