Введение к работе
Актуальность работы. Производство волокнисто-пористых композиционных полимерных материалов типа жестких искусственных кож, широко применяемых для изготовления обуви, в галантерейном и упаковочном производствах, строительстве является одним из наиболее трудоемких технологических процессов производства в промышленности искусственных кож и пленочных материалов.
Одной из основных операций традиционной технологии производства такого рода материалов является проклеивание размолотого волокнистого сырья, в частности, отходов кожевенного производства, полимерными связующими, в качестве которых используют водные дисперсии полимеров.
Среди кожевенных отходов для производства волокнисто-пористых композитов чаще всего используют отходы кож хромового дубления, которые неоднородны по содержанию хрома, степени гидрофильности и структуре волокон, что в совокупности создает ряд проблем при производстве волокнистых материалов. К ним относятся неравномерное проклеивание, медленное обезвоживание проклеенной волокнистой массы при формировании материала и существенная загрязненность сточных вод мелким волокном и полимером проклеивающей дисперсии.
Для устранения указанных недостатков и создания жестких искусственных кож с улучшенными эксплуатационными свойствами необходим комплексный подход, включающий придание кожевенным волокнам требуемых поверхностных свойств путем их модификации, использование новых эффективных неионогеннных проклеивающих дисперсий, применение специальных добавок для более равномерного распределения проклеивающего вещества в волокнистой композиции, а также совершенствование процессов проклеивания и отлива, и создания полимерного волокнистого материала определенной структуры.
Обзор научной и патентной информации, обобщение опыта мировых производителей указывают на необходимость и актуальность разработки подходов к созданию более совершенной технологии производства обувных кожевенных картонов, обеспечивающих высокое качество и хороший внешний вид готовой продукции и позволяющих снизить расход проклеивающих материалов, уменьшить степень загрязненности сточных вод и, в целом, интенсифицировать технологический процесс.
Целью работы является создание научных основ и разработка системного подхода и способов направленной модификации поверхностных свойств кожевенных волокон и выбора проклеивающих полимерных дисперсий в производстве жестких искусственных кож типа картонов для интенсификации основных технологических процессов, расширения сырьевой базы, решения экологических проблем и получения материалов с высокими показателями комплекса физико-механических и гигиенических свойств.
Для реализации поставленной цели в работе необходимо было решить следующие научные задачи:
- разработать способы и условия изменения свойств и структуры кожевенных волокон, получаемых из отходов кож хромового дубления;
- выявить степень влияния различных способов модификации на поверхностные свойства и структуру волокон, как на стадии размола, так и при подготовке суспензии волокон к проклеиванию;
- предложить наиболее эффективный способ обработки волокон для регулирования их электрокинетических свойств, гидрофильно-гидрофобного баланса, химической активности и сорбционной емкости, необходимых для повышения степени их взаимодействия с полимерным связующим на стадии проклеивания;
-- выявить технологические условия, преимущества и целесообразность использования новых модифицирующих добавок, обладающих дубящими, красящими, флокулирующими, наполняющими и проклеивающими свойствами, таких как синтетические дубители (синтаны) и дициандиамидные смолы, с целью снижения количества используемых дорогостоящих проклеивающих дисперсий, улучшения качества проклеивания, повышения стабильности размеров готовых картонов и снижения степени загрязненности сточных вод;
- осуществить обоснованный выбор проклеивающих составов и способов их модификации, проанализировать возможность использования в качестве связующих неионогенных водных дисперсий полимеров, таких как сополимерная дисперсия дибутилмалеината и винилацетата (ДБМВА) и дисперсия оксиэтилированного полиамида (ОЭПА),
- провести комплексное исследование и выявить степень влияния модификации на все стадии процесса формирования жестких искусственных кож и установить степень влияния каждой из стадий структурообразования на морфологические особенности сформированных материалов и комплекс их свойств;
- на основании выявленных подходов к модификации кожевенных волокон и дисперсий полимеров, физико-химических путей управления процессом структурообразования на стадиях размола, подготовки волокнистой суспензии кожевенных волокон и ее проклеивания различными полимерными проклеивающими дисперсиями разработать рецептуру и технологические решения получения новых картонов с высокими показателями комплекса эксплуатационных свойств, позволяющих совершенствовать технологию их производства с решением экологических проблем.
Научная новизна работы.
- предложены и обоснованы различные способы обработки кожевенного волокна, полученного в результате водного размола отходов кож хромового дубления, и доказана принципиальная возможность получения из них однородных и усредненных по составу волокон с регулируемыми поверхностными свойствами и структурой;
- предложены и экспериментально обоснованны такие способы модификации кожевенных волокон как гидротермическая обработка, химические способы дехромирования, обработка синтанами и показана возможность их применения для получения требуемых поверхностных свойств и структуры волокон при подготовке их суспензии к проклеиванию;
- установлены характер и степень влияния гидротермической обработки на поверхностные свойства волокон кож хромового дубления и технологических условий получения кожевенных картонов с малой усадкой;
- впервые показана и выявлена степень влияния различных способов частичного дехромирования на содержание хрома () на поверхности волокон, применяемых в производстве жестких искусственных кож, и, как следствие, изменение их состава, электрокинетических и гидрофильных свойств, химической активности и сорбционной емкости;
- установлены основные закономерности изменения поверхностных свойств хромовых волокон и коллоидно-химических свойств дисперсий, в том числе неионогенных, при взаимодействии с синтанами различной химической природы и действия; найдены дозировки синтанов, при которых проявляется флокулирующее, стабилизирующее и красящее действие на кожевенные волокна и дисперсии полимеров;
- выявлено влияние различных способов модификации волокон и модифицирующих добавок на особенности взаимодействия в системе дисперсия полимеров – суспензия кожевенных волокон и предложен механизм их модифицирующего действия, состоящий в осуществлении регулирования степени ассоциации волокон в суспензии, целенаправленном выделении полимера дисперсии на волокне в процессе проклеивания, влиянии на скорость отлива, и, как следствие, изменении структуры волокнистого проклеенного материала, увеличения его пористости и удельной поверхности;
- предложен способ размола отходов кожевенного производства с предварительным набуханием их в растворе синтанов для получения картона с высокими показателями гигиенических свойств;
- на основании разработанных способов модификации кожевенных волокон и проклеивающих дисперсий предложены составы композиций и технологические решения, позволяющие интенсифицировать технологический процесс, снизить расход проклеивающих материалов, повысить экологичность картонного производства за счет удержания компонентов в картонном листе и уменьшения их количества в сточных водах, для получения жестких искусственных кож обладающих высокими показателями эксплуатационных свойств.
Практическая значимость. Разработаны и предложены к практическому применению способы модификации кожевенных волокон и проклеивающих полимерных дисперсий, а также условия их реализации в производстве, позволяющие повысить качество размола, проклеивания и отлива волокнистой массы, интенсифицировать эти процессы и получать материалы с регулируемой структурой и свойствами в зависимости от способа модификации. Разработанные подходы к модификации и технологические решения позволяют кроме того расширить сырьевую базу, сократить количество вводимых полимерных связующих, понизить степень загрязненности сточных вод, а полученные новые материалы способствуют расширению ассортимента конкурентоспособных современных волокнисто-пористых материалов.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы были представлены на всероссийских, межрегиональных и международных конференциях: V Всесоюзной конференции «Синтетические латексы, их применение и модифицирование», Москва 1991 г.; V межрегиональной научной конференции «Студенческая наука – экономике России», Ставрополь 2005 г.; международной научно-практической конференции «Инновации в товароведении: теория, практика, экспертиза, безопасность», Коломна 2009 г; V региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения), Иваново 2009 г,. и др.
Отдельные исследования, результаты которых изложены в диссертационной работе, выполнены совместно с ОАО «Нарбек» по выпуску обувных кожевенных картонов для внутренних деталей обуви. Часть образцов прошла производственные и полупроизводственные испытания, подтвержденные актами, для ряда материалов был осуществлен производственный выпуск.
Личный вклад автора: состоял в разработке методологии теоретических и экспериментальных подходов к решению поставленных задач, в постановке исследования, в формулировании цели и задач научной работы, в выборе объектов и методов исследований, в непосредственном участии в экспериментах, в анализе и обработке полученных результатов, в написании статей, в формулировании выводов и рекомендаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 статей, в том числе 9 в изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 276 страницах, включая 47 таблиц и 109 рисунков. Библиография состоит из 227 источников. Приложение представлено на 6 страницах и содержит акты о выпуске опытных партий волокнисто-пористых полимерных материалов и апробации картонов в производственных условиях.
