автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Оценка изменения структуры хлопка при биоразрушении и поиск методов его предотвращения

pre САМ-ПЕТЕРБУРГШ1Я ГОСЭДАРСТЗЕНШЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА

: г Л"!! 'ГО'-.

На правах рукописи»

КОВАИЬЧУК ТАТШНА ИОСИФОВНА

ОЦЕНКА ИЗДЕНЕНШ СТРУКТУРЫ ХЛОПКА ПРИ БИОРАЗРУШЕНИИ И ПОИСК МЕТОДОВ ЕГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

Специальность 05.IS.01 - Материаловедение

(текстильное, коясевенно-ыеховоо, обувное, швейное)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государствен- ; ной университете технологии и дизайна.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Вшоградов Б. А.

кандидат химических наук, доцент 'Шамолина И.И.

Консультант; кандидат технических наук, доцент Платонова Н?В,

Официальные оппоненты: академик ыМА, ЯАРФ, Заслуженный

деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор Перепелкин К. Б. кандидат технических наук, старший научный сотрудник Андреев А„Сг

Ведущее предприятие: АО "Северный текстиль"

Защита диссертации состоится "Й" октября 1ЗД4г. в /Ц, час. на заседании Специализированного Совета К 063,67,03 при Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна: ауд.241

Адрес: 191065» г?Сенкт-Петербург, Б.Морская, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан "10" сентября 1УЬ4г.

Ученый секретарь Специализированного Совета к,т.н., доцент

Л. А.Дергачева

1. СЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Хлопковые текстильные изделия и материалы на основе смесок с использованием хлопка составляет значительную долю производства текстильной продукции. Потери производства, обусловленные биодеструкцией хлопка, очень велики. Проблема биозараженности хлопкового сырья была актуальна всегда, но особенно обострилась в последнее время. Ее следует рассматривать не только с точки зрения технологических аспектов перерабатываемости сырья, качества изделий текстильной промышленности, но и как важную экологическую проблему (в частности, влияние деструктиругацей хлопок и всея микрофлоры хлопкового сырья на здоровье работников текстильной промышленности).

Биодеструктированное хлопковое сырье не может быть подвергнуто обычному технологическому режиму его переработки. Изменение структуры биозаркхенного хлопка при его хранении существенно влияет на свойства волокна и на

свойства полученного из этого волокна материала. Поэтому, состояние структуры хлопка-сырца может не соответствовать сорту, определенному после сбора урожая, а значит и качеству волокон, хранившихся различное время в разных условиях.

Биодеструкция хлопка приводит к увеличению концентрации хлопковой пыли в помещениях текстильных производств на котором сосредоточены биодеструктирующие микроорганизмы, причем, некоторые из них обладают патогенными свойствами, Поэтому, разработка методов подавления жизнедеятельности деструктирующей микрофлоры актуальна также с точки зрения профилактики профессиональных заболеваний работников текстильной и легкой промышленности, а также для сохранности готовых хлопчатобумажных изделий, хранящихся на складах (например, склады военного обмундирования).

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с хоздоговором КЗ 98/89-91 с ситценабивной фабрикой иы.В,Слуцкой, а с 1592 года с объединением "Лентекстиль",

Цель и задачи исследования. Целью работы является поиск методов обеззараживания хлопкового сырья при сохранении его структуры. Для этого необходима разработка новых

параметров, оценивающих состояние структуры волокон, изучение кинетики изменения структуры во времени. В связи с этим в работе поставлены следующие задачи:

- идентификация биодеструктирующей микрофлоры хлопкового сырья;

- разработка новых ИК-спектроскопических параметров, позволяющих более точно определить состояние структуры хлопковых волокон;

- адаптация известного метода определения редуцирующих Сахаров (Фейербридлса, Уиллиса и Бутта) к определению содержания глюкозы на поверхности волокна, что в свою очередь является косвенным показателем степени биозаракенности хлопка биодеструктирующей микрофлорой;

- изучение состояния структуры хлопкового сырья в процессе естественной и искусственно активированной биодеструкции, в том числе оценка состояния структуры хлопка в процессе преимущественного развития одной из компонент деструктирующей микрофлоры;

- разработка математических основ модифицированного метода дифференцирования ИК-спектров хлопка с целью улучшения разрешения спектров;

- определение влияния исходной структуры и сортности хлопка на скорость биодеструкционных процессов;

- влияние "медовой росы" на ход биодеструкционных процессов и оценка ее патогенной активности;

- оценка влияния биозараженности на структуру хлопковых текстильных материалов;

- поиск новых химических способов защиты хлопковых текстильных материалов от биоразрушающей микрофлоры;

- подбор физических методов и режимов обработки хлопковых биоэараженных волокон и оценка влияния их на структуру и свойства биоэараженных образцов.

Методика исследования. В работе использовались как стан дартные методы испытаний, так и разработанные в диссертации. Состояние структуры волокон оценивали при помощи разработанных в диссертации и известных из литературы ИК-спектроскопических параметров, Надмолекулярную структуру волокон изучали методом рентгеноструктурного анализа. Биозаратенность хлопко

вых волокон оценивали микробиологическим методой и предложенным аналитическим методом определения содержания глюкозы на поверхности волокна;

Обработка экспериментальных данных осуществлялась с применением ЭШ "Электроника Ш 5508".

Научная новизна. В диссертационной работе:

- впервые проведено исследование изменения структуры хлопка различных сортов и селекции, смесок хлопка и тканей в процессе биодеструкции различными методами (физические, химические, микробиологические) в зависимости от времени ее протекания; хлопок и ткань подвергались так:хе инициированной биодеструкции;

- на основании проведенных исследований предложены новые ПК-спектроскопические параметры, характярчзу^дие изменение структуры хлопка, установлена цикличность п изменении структуры хлопка в зависимости от времени протокиппя биодеструкции, цикличность выделения и потреб.чгнил глюкозы, что связано о цикличностью действия фор1ентг>;1 микрофлоры хлопка;

- на основании спектроскопических иссг-дозаний сделана попытка установления связи яезду у л-. надел т ...•:• V. о зт ь» деструктнруэ-щих микроорганизмов и химичл:-.-'.-.-:; измсс-шгяш целлюлозосодер-жащих материалов;

- разработан аналитический метод определения содержания гли-козы на поверхност;: положена;

- предложены методы подаплешш гданедеятэльности деструкти-рухкцей микрофлоры ::.!опг:огкх тчкт'ильнцх материалов, но приводящие ;с существенному мененп-) сгрукзури (мзилевкиЛ метод о использованием карбсмола Ц«1 в сочетании а декг.моток-сином и физический метод воздействия на образцы электромагнитных полей ВЧ и ч^ВЧ излучения);

- проведено сравнение предложенных методов подавления этане-деятельности деструктирующей микрофлоры хлопка, указаны возможные области их применения, оценена их перспективность, как с точки зрения их результатов, так и включения их в существующий технологический процесс.

Практическая значимость и реализация результатов исследования заключается: - в возможности использования разработанного аналитического метода определения глюкозы на поверх-

нооти волокна в условиях заводских лабораторий;

- в использовании предложенных спектроскопических параметров для оценки состояния структуры биозараженных образцов хлопка и в возможности прогнозирования его поведения в процессе дальнейшей переработки и эксплуатации, а также корректировки состава смесок с учетом состояния структуры компонентов;

- в установлении критического срока хранения образцов биоза-разсенного хлопка (9 месяцев после .сбора урожая);

- в разработке химического метода обработки хлопчатобумажной ткани на стадии эаклотительной отделки с использованием препарата карбамола ЦЗД с декаметоксином;

- в разработке физического метода обеззараживания хлопка СВЧ полями в режимах, приводящих к стерилизации не только вегетативной микрофлоры, но и спор при сохранении структуры хлоп кового волокна, а следовательно и его свойств;

- в возможности включения предложенного метода в технологическую цепочку переработки хлопка.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII Всесоюзной конференции по текстильному материаловедению "Надежность, качество, экономичность" (Киев, 1968 г.), на IV Всесоюзной конференции по физике и химии целлюлозы (Минск, 1У90 г.), на заседаниях кафедр физики и материаловедения СПГУЩ.

Публикации. Рйвультаты работы отражены в 7 публикациях.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Основной текст диссертации содержит 201 страницу, 34 рисунка, 24 таблицы. Список литературы включает 122 наименования.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлена цель и общие задачи исследований.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных изучению структуры целлюлозы, подробно рассмотрен механизм <1>ер-ментативного гидролиза целлюлозы и факторы, влияющие на его э<М'ективность. Содержатся современные представления о деструкции целлюлозы, вцзиппомш; "медовой росой". Рассмотрены

химические методы подавления жизнедеятельности деструктирую-щей микрофлоры. Особое внимание уделено влиянию физических методов воздействия (гамма-облучение, лазерное излучение, электромагнитное излучение) на структуру и свойства целлюлозных волокон.

При всем многообразии использования физических методов оценки структуры хлопка не проведено достаточно глубоких структурных исследований, которые позволили бы проследить изменение структуры в зависимости от условий и продолжительности хранения. Проведенные ранее исследования показали, что производственные сложности, возникающие при переработке хлопка, пораженного "медовой росой" усугубляются проблемами вызываемыми зараженностью хлопка деотруктирующей микрофлорой» Известно, что высокая степень поражения "медовой росой* сочетается со значительным микробиологаческим поражением, Этим объясняется существенное снижение прочностных характеристик хлопковых волокон и как следствие^изделий из них. Анилиэ литературы показал, что не предложено физического метода обеззараживания хлопка, не разрушающего структуру волокна с одной стороны и пригодного к использованию в условиях текстильного производства. Нет способов уничтожения спор, а сохранение спор деструктирующей микрофлоры на волокне является предпосылкой для последующего развития микроорганизмов, и>как следствие разрушения волокна?

Так как биохимический процесс биодевтрукции целлюлозы осуществляется под действием ферментов, вырабатываемых деструктирующей микрофлорой, то представляется необходимым детально разобраться в современных исследованиях хода ферментативного разрушения целлюлозы.

Обобщены предлагаемые способы ингабирования процессов биодеструкции хлопка с использованием химических препаратов, а также физические методы подавления процессов биодеструкции,

Отмечено, что не существует достаточно чувствительных и надежных параметров, оценивающих изменение структуры био-зараженного хлопка. Отсутствуют методы подавления жизнедеятельности деструктирующей микрофлоры при сохранении структуры и свойств волокна и пригодные для использования в производстве. В заключении этой главы сформулированы конкретные задачи исследований.

Во второй главе дана характеристика объектов исследования и изложены методические особенности проведения экспериментов,

Объектами исследования служили образцы хлопка (более 200 образцов) различных сортов и селекции, уромая различных лет.

В работе использовались методики принятые в текстильном материаловедении и предусмотренные в ГОСТах. Содержание глюкозы на поверхности волокна определялось методикой, предложенной в работе. Состояние структуры оценивалось методом Hti-спектроскопии, рентгеноотруктурного анализа. Степень поражения микроорганизмами оценивалась микробиологическим методом.

Третья глава посвящена оценке состояния структуры хлопка, подвергнутого биодеструкции.

Идентифицирована деструктирующая микрофлора хлопка. Исследование видового состава микрофлоры хлопкового волокна показало доминирующее присутствие представителей бактерий родов Clostridium и Bacillus и грибов родов Aspergillus , Penlcllllua .

В отличии от окислительных видов деструкции целлюлозы при биодеструкции химические процессы происходят после существенных изменений в надмолекулярной структуре. Поэтому, для оценки состояния структуры хлопка (и других целлюлозных материалов) необходимо выработать надежные критерии,чувствительные к ее изменениям в результате различных воздействий. Для получения образцов с заведомо разрушенной структурой проведено моделирование процессов разрушения хлопка с по, мощью гамма-облучения с- последующей активной ферментацией ' целлюлозораэрушающим грибом Aspergillus terreus Нб . который входит в состав природных деструкторов целлюлозы. Структурные изменения оценивали методом ИК-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа.

На основании анализа полученных спектров предложены три структурно-чувствительных паршетра)численные значения которых .зависят от перестройки системы водородных связ014 и конформационных переходов цепей в сегментах макромолекул

целлюлозы, Это параметры Вцуо^ЗОО' ^И&О^ЯОО » 01П7П/1)ото характеризующие не только перестройку водород-

- подработка рецептур-режимов для условий "под заданный образец" в случае новой ресурсной ситуации, например, при изменении располагаемого набора красителей;

- формирования поля данных и представления их в сжатом виде при выполнении различных этапов РСФХ, например, этапа полной оценки колористических хг^актеристик данного набора красителей.

в. Показать, что применительно к задаче выбора рецептур-ре-кимов крашения "под заданный образец" роль РСФХ состоит в сокращении времени ЕЫбора с тем, чтобы получить возможно более значительное приближенно к идеальному решению задачи, когда после установления лишь в первом приближении рецептуры и определения характеристик субстрата, поддающихся измерению, по объемной базе данных могут устанавливаться и корректироваться рецептуры. Однако такое решение требует нереализуемого объема памяти ЭВМ.

7. Продемонстрировать, что РСФХ долкна строиться по-'принципу поэтапной оптимизации, когда значения параметров технологии, принятие на предыдущих этапах, корректируются на "последующих (например, концентрации красителей) в соответствии с тем, что в общем случае каздый технологический параметр влияет на все.показать ли качества.

3. Реализация расширенной экспериментально-теоретической схемы формирования характеристик (РСФХ) трикотаяяого полотна (при крЕшенш прямыми красителями).

Научная новизна работы заключается в следующем:

Вскрыты основные резервы дальнейшего совершенствования подбора рецептур-рекимов крашения, которые состоят в совместном рассмотрении двух аспектов задачи - подбора как рецептур, так и режимов крзиения, .при условии взаимосвязи экспериментальных и теоретических исследований.

На примере крашения хлопчатобумал ¡то трикотажа показано, что второе направление основных резервов совервенствования подбора рецептур-решгмов крашения состоит в расширении возможностей методов математического моделирования применительно к ХТТМ, которое освано на более широком прменении аналитических представлений (задаваемых форм) входных, промежуточна и выходных "характеристик технологии и ее элементов.

Выявлено, что особенно существенное влияние на развитие математического моделирования подбора рецептур-режимов крашения оказывают аналитические несве нутые представления, входных для задачи, спектральных характеристик красителей для полного^диапа-

Во второй главе дана характеристика объектов исследования и изложены методические особенности проведения экспериментов,

Объектами исследования служили образцы хлопка (более 200 образцов) различных сортов и селекций, урожая различных лет.

В работе использовались методики принятые в текстильном материаловедении и предусмотренные в ГОСТах. Содержание глюкозы на поверхности волокна определялось методикой, предложенной в работе. Состояние структуры оценивалось методом ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа. Степень поражения микроорганизмами оценивалась микробиологическим методом.

Третья глава посвящена оценке состояния структуры хлопка, подвергнутого биодеструкции.

Идентифицирована деструктирующая микрофлора хлопка. Исследование видового состава микрофлоры хлопкового волокна показало доминирующее присутствие представителей бактерий родов Clostrldlum и Blciüus и грибов родов Asperglllus f íenlclllíiii .

В отличии от окислительных видов деструкции целлюлозы при биодеструкции химические процессы происходят после существенных изменений в надмолекулярной структуре. Поэтому, для оценки состояния структуры хлопка (и других целлюлозных материалов) необходимо выработать надежные критерии,чувствительные к ее изменениям в результате различных воздействий. Для получения образцов с заведомо разрушенной структурой проведено моделирование процессов разрушения хлопка с по, .мощью гамма-облучения с последующей активной ферментацией ' целлюлозоразрушающим грибом Asperglllua terreus U6 . который входит в состав природных деструкторов целлюлозы. Структурные изменения оценивали методом ИК-епектроскопии и рентгеноструктурного анализа.

На основании анализа полученных спектров предложены три структурно-чувствительных параметра^числешше значения которых .зависят от перестройки системы водородных связей и конформационных переходов цепей в сешентах макромолекул целлюлозы, Это параметры D1170/Dg00, ^що^ЭОО* D ^о/^эоо характеризующие не только перестройку водород-

ных связей с участием оксиметильных групп, но и изменяющиеся условия колебания колец и глюкозидных связей. Увеличение численных значений этих параметров свидетельствует о разрыхлении структуры образца, а уменьшение численных значений фиксирует уплотнение структуры полимера. Характер изменения численных значений предложенных нами параметров подобен изменению литературного параметра -0-^¡у!)900' названного "индексом бокового порядка". Однако, численные значения параметров Е'ц.ЗО'^^ОО и ^оуо/Е)удд изменяются в большей степени, чем параметры, предложенные в литературе. Следовательно, эти параметры более чувствительны к конформационнш переходам в сегментах макромолекул и характеризуют не только перестройку водородных связей с участием оксиметильных групп, но и изменившиеся услов/.д колебания колец и глакозиднлх связей,

В процессе Сиодеструкции происходит образование карбонильных групп,о чем свидетельствует появление и рост интенсивности полос поглощения 1740 см~^, 1720 и 1705 Увеличение численных значений параметров О^^д/О^^д,

^1720^^2920 и ^ 1705^2920 -^рзк^ризозал0 скорость протекания окислительных процессов, которая связана с разрывами цепей макромолекул. Увеличение значений литературного параметра И^д/X) ¿320 св11Де'гельс'1'вУе'1' уплотненны структуры полимера. Одновременный рост этих параметров говорит об увеличении доли уплотненных областей макромолекул, происходящей при разрывах цепей целлюлозы.

За увеличении белковой массы на волокне в процессе биологического разрушения следили по параметрам О 1660/''^2Э20 (полоса поглощения 1660 связана с колебаниями С=0 пеп-

тидной связи - Амид I) и й 1560^^2920 (полоса поглощения 1560 связана с деформационными колебаниями МН-пептидной

группы - .Амид II).

Если для конкретного вида деструкции известно, что превалирующей является перестройка системы водородных связей, а не разрывы цепей, то тенденция к увеличению численных значений предложенных нами параметров достаточно определенно характеризует изменение исследуемой структуры образца, Если существенную роль играют разрывы макромолекул, о чем может свидетельствовать накопление карбонильных групп, то может наблюдаться последующее уменьшение этих параметров.

Предложенные спектроскопические параметры характеризует интегральное.состояние упорядоченных и неупорядоченных областей полимера. Это подтверждают данные рентгеноструктурного анализа. Наблюдение за изменением межплоскостного расстояния (¿002 в зависимости от дозы гамма-облучения и степени биодеструкции свидетельствует о правильном подходе к выбору структурных параметров и их интерпретации.

Таким образом, использование предлотгсенных ШС-спектроско-пических параметров позволяет определить состояние структуры волокон хлопка, а следовательно прогнозировать их поведение в процессе переработки и эксплуатации изделий из них.

Так как изучается процесс биодеструкции, то необходимо обратить внимание на особенности жизнедеятельности микроорганизмов, а именно разрушение цепей-целлюлозы ферментами, продуцируемыми грибами и бактериями.

При изучении процесса биодеструкции использовали существующую теорию последовательно-одновременного действия ферлен-тов целлюлазного комплекса, продуцируемых микроорганизмами -деструкторами целлюлозы. В состав ферментативного комплекса входят: 1} С1 - фермент

2) эвдо-глюконаза с - фермент экзо-глюкоказа х

3) 1,4 - р - глюкозидаза. Схема их действия:

С ^-фермент Сх-фермент

целлюлоза » разрыхленная -— целлобиоза -

целлюлоза

1,4-глюкозидаза -»— глюкоза

В комплексе со спектроскопическими параметрами нами разрабатывался аналитический метод определения содержания глюкозы на волокне.

В соответствии с последовательно-одновременной теорией действия ферментативного комплекса конечным продуктом биодеструкции волокон является глюкоза. Количество Сахаров, находящихся но нс.схчс ~ это вели косвенно отражающая количество вегетативной микрофлоры

В отличии от известного метода определения редуцирующих Сахаров (Фейербриджа, Уиллиса и Бута) ми вместо полного кислотного гидролиза проводили смыв Сахаров с поверхности волокон. Затем, как и в известном методе,проводили цветную реакции на глюкозу, спектрофотометрируя растворы5при наличии калибровочной кривой определяли количество глюкозы в растворе (мг/мл 1СГ6).

Предложенный аналитический метод может быть рекомендован для использрвания на производстве в качестве экспресс метода для оценки состояния компонентов смесок или в качестве входного контроля на сырьевых базах и хлопкоперерабатывающих предприятиях.

Для изучения процесса биодеструкции во времени исследовалось изменение структуры хлопка различных сортов и селекция с одновременным анализом содержания глюкозы на волокне. Ход изменения численных значений предложенного нами параметра О ЮТО^ЭОО п°Д0(5ен изменению литературного параметра ^ 1430^0900* первой стадии Фиксируется неизменность численных значений этих параметров, затем их резкое увеличение и практически такое же резкое уменьшение. После чего наблюдаемый цикл повторяется с относительно меньшими изменениями численных значений параметров. Такой характер кривых может быть обусловлен следующими преобразованиями структуры хлопка:

- проявление и продолжительность начальной стадии относительной неизменности структуры для разных сортов и селекция хлопка различна и определяется состоянием исходной структуры, степенью биозараженности, временем и условиями хранения;

- увеличение численных значении параметров свидетельствует о разрыхлении структуры хлопка. Неизменность содержания карбонильных групп подтверждает предположение о протекании разрыхления структуры без разрыва цепей макромолекул, В этот период проявляется действие С^ - фермента,которое и заключается в разрыхлении исходной структуры, создании предструктуры с вполне определенной топологией, необходимой для начала действия ферментов комплекса Сх. Действие фер»оента С^не сопроволдается выделением глюкозы (лаг-период),

- уменьшение численных значений параметров О Ю7(/^900 И ^ 1430/'^900 характеризует уплотнение структуры полимера о

одновременным разрывом цепей. Эта стадия сопровождается уменьшением количества карбонилсодержощих групп, т.е. деятельность ферментов на этой стадии заключается в химических преобразованиях полимера. На этой стадии превалирующим, вероятно, становится действие ферментов комплекса С . ^тем цикл изменения структуру повторяется.

Количество глюкозы на поверхности волокна также меняется циклически в зависимости от времени хранения ооризцов. Увеличение количества глюкозы на волокне свидетельствует о завершении действия ферментативного комплекса (смотри схему). Уменьшение количества глюкозы связано с усвоением ее микрофлорой. Таким образом, спектроскопически прослеживается цикличность изменения структуры хлопка, цикличность выделения л потребления глюкозы, что объясняется ииклкниостью действия ферментов микрофлоры хлопка. Такого же ром,а цикличность прослеживается при анализе структуры образцов хлопка разных сортов к селекций.

Установлена необратимая деструкция цепей макромолекул целлюлозы биозараженного хлопка, наступающая после 9-10 месяцев хранения,

Анализ образцов хлопка, исследованных непосредственно после сбора урожая показал, что численные значения параметра О 1070^^900 для хлопка 1-2 сортов укладывались в интервале 3,5 - 4,7, для 3-4 сортов 5,0 - о,75, для и - Ь сортов -выше этих значений. По нашим данным, отнесение к каксму-либо сорту биозараженных образцов хлопка некорректно.

Если изменение спектроскопических, параметров свидетельствует о состоянии аморфной к кристаллической областей полимера, то состояние кристаллических участков изучалось ыктодоы рентгеноструктурного анализа. Зтт методом определили мсь.-плоскостное расстояние сС^^. г .

Ход временных зависимостей параметра

показал их симбатный характер, т.е. Ил-спектроскопяческ^и параметры дают информацию о кооперативных ¡трон-; е с; -х, сротокдо--.;щих в обеих областях полимера, а по измененкь г.:о;.:плоскост;;ого ^расстояния можно судить об изменении крлсталллч"-ско;1 ранетки "хлопка в процессе биодеструкцри.

Методом рзнтгеноструктурного анализа определены «склера-

•урные переходи для разных сортов хлопка. Произведено срав-!ение состояния структуры образцов, хранившихся в комнатных условиях и при температуре 37"С о поваленной влаги остью, ¡сследованил показал:!, что чти дольше хранится хлопок в ус-ювиях 24-Э7°С и повыиенноИ влажности тем более дсструктиро*» »акмоН оказывается ого структура.

Гак как чпоцесс разрушения хлопка к текстильных материа-юв на иго основе определяется не только его исходной струк— 'урой к степейы; биозараженности, но и условиями хранения и ■ранспортировки, то сделана попытка определить те экстремальнее условия при которых активизируется деятельность различных :омпонентов деструктируюдей микрофлоры. Для этого образцы вч-.ержва/мсь в условиях, обеспечивающих наиболее благоприятное »азвитие грибной и бактериальной микрофлоры и при этом просаживалось изменение структуры хлопка.

Установлено, что только в случае сохранившейся достаток— с плотной структуры образцов хлопка можно фиксировать дест— ■укционные процессы, затрагивающие-кристаллические области олимера и оценивать это по изменение параметра ' образцов хлопка 3-4 сортов изменение структуры я хкмгетес— не преоОразования протекают,в осноенсм, в аморфных областях олимера. Подтвержден циклический характер изменения струшу— н хлопка.

В отличии от существующего мнения о преимущественней дет— тпуктирующем влиянии грибной микрофлоры напи результаты по— азали подобные, глубокие изменения структуры хлепка хранящееся , как з условиях активного развития грибной, тая и бакте—

иальной мпкро! лорн.

Лля улучшения разрешения ИК-спектров целлюлозы был предо математический метол ооработки, заключающийся в той, ■ю спектр записывался а виде полинома, состоящего из соб-твенно спектра и его производных. Коэ^фиг^енты полинша спре-елялись катодом наименьших квадратов^исходя из необходимой т-.-пони улучшения разрешения. Предложенная математическая об-аОотка позволила проследить за изменением соотношения пола-от; чих сгрукт'-гмтх уодификйцкл цьллклозы». Такого рода анализ

гь проаиалкзг.];иш=»ь тонкие изменения струиту-^ р. пюоц-ссе улс^<:-с\рукцни.

Установлено, что изменения, происходящие в хлопке (при хранении его при температуре 24-37°С и повышенной влажности) за 15 дней сравнимы с изменениями, происходящими за 7 месяцев естественной биодеструкции. Т.е. температурный интервал 24-37°С наиболее благоприятен для процессов биоразрушения, об этом же свидетельствует большее количеств? белковой массы на этих образцах, Результаты математической обработки спектров при преимущественном развитии одной из компонент микрофлоры подтвердили правильность предположения о циклическом характере перестройки структуры в процессе биодеструкции в определенных временных интервалах.

Получены дополнительные доказательства протекания окислительных процессов, в том числе затрагивающих пиранозный цикл; преобразований, затрагивающих кристаллические области полимера, накопления белковой массы.

Скорость биодеструкции (при сходкой степени биоэараг.ен-Ности) определяется состоянием исходной структуры. Более высокие сорта хлопка в большей степени устойчивы к биоразрушению. Оценка структуры хлопка по структурным параметрам и дан> ным рентгеноструктурного анализа, оценка свойств по разрывной нагрузке единичного волокна и процентному содержанию коротких волокон в образцах хлопка различных сортов, хранившихся в течении 10 месяцев в естественных условиях показало, что структура биозарачсенного хлопка-сырца не соответствует сорту,определенному после сбора урожая.

Существенные технологические трудности при переработке хлопкового сырья связаны с повышенной клейкостью волокон. Од ной из причин клейкости считается высокая степень поражения волокон "медовой росой", качественно оцениваемая методом Бенедикта. Идентификация микрофлоры образцов хлопка, поражении, "медовой росой" оказалась аналогичной данным ранее анализируемых нами образцов. Определение степени поражения "медовой росой" методом Венедикта, а также, содержания глюкозы на волокне, количества микроорганизмов и структурно-чувствительных параметров показало, что зараженность хлопка "медовой ро сой" сочетается со значительной степенью его биозараженности не исключено, что оба фактора взаимодополняют друг друга. Мы полагаем, что подавление жизнедеятельности деструктирующей микрофлоры хлопка приведет к одновременному решению этих дву

проблем.

Проблема "загрязнения" хлопковых волокон, как микроорганизмами, так и "медовой росой" содержит в себе не только технологическую составляющую, но и важна с точки зрения защиты работников текстильных предприятий. Исследования показали, что легочные заболевания на предприятиях хлопчатобумажной' и -льноперерабатывающей промышленности связаны с наличием в запиленном воздухе ряда бактерий сырья. Были проведены исследования заживления ран у белых крыс при использовании в качестве перевязочного материала ваты технической (содержащей микроорганизмы и "медовую росу") и медицинской стерильной ваты. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что вата гидрофильная, зараженная "медовой росой" и комплексом микроорганизмов обладает не только токсическим, но и аллергизирую-щим воздействием.

Для определения влияния на структуру и свойства нитей тканей, полученных из биозараженного хлопка, входящего в состав компонентов смески были определены спектроскопические параметры, содержание глюкозы и прочность на продавливани* образцов тканей. Проанализированы изменения структуры волокон компонентов смески (хлопка различных сортов, мычки и обратов по технологическим переходам), а именно: настила, чесальной ленты 1 и 2 переходов, нитей основы и утка суровой ткани, полученной из этой смески. Анализ полученных результатов дает основание считать, что структурные параметры, расчитанные по спектрам смесовых хлопковых образцов, представляют некоторую обобщенную характеристику состояния структуры обьекта. Характеристики компонента смески, составляющего наиболее обьемную долы, в большей степени определяют свойства вырабатываемой из этой смески нити. В общем случае, полученные результаты подобны результатам изменения структуры хлопка, что в случае тканей коррелирует с изменение!.! значений прочности на продав-ливание.

Так как цель работы заключалась не только в том, чтобы выяснить изменение структуры хлопка и хлопковых текстильных материалов в процессе оиодеструиции, но и в поиске методов обеззараживания при сохранении структуры хлопка, был- осуществлен поиск методов подавления жизнедеятельности деструктирую-

щих микроорганизмов, как химическими так и физическими способами.

Четвертая глава посвящена поиску методов обеззараживания хлопковых текстильных материалов на стадии заключительной от-телки (химическим способом) и поиску физических методов обработки хлопкового сырья,

Нами предложен химический способ защиты, состоящий в плюсовании тканей, на стадии заключительной отделки аппретирующим препаратом карбомолом ЦсМ в сочетании с декаметоксином, Предложенная обработка приводит к образованию межмолекулярных сшивок, что способствует созданию более плотной структуры материала, а выделяющийся в процессе формирования сшивок формальдегид подавляет жизнедеятельность микроорганизмов.

Опробованы обработки тканей с использованием акриловой ■ и полиуретановой эмульсий в сочетании с карбамолом Ц31. Предложено 14 рецептов обработки на примере 13 образцов тканей ' различных артикулов, Для всех образцов определялись значения прочностей на продавливание, содержание глюкозы и состояние структуры нитей основы и утка методом Щ-спектроскопии, Наилучшие результаты получены при использовании карбомола ЦЭЛ с декаметоксином. Показано, что такая обработка тканей тормозит развитие процессов биодеструк!уш и сохраняет структуру материала за счет сшивок. Однако, сохранить ткань таким способом можно только в том случае если хлопок, на основе которого получена ткань,не прошел второй цикл биодеструкции, Поэтому,- необходимо разрабатывать методы обеззараживания хлопка-сырца. Предлагаемые химические методы не приемлемы для обеззараживания хлопка-сырца так как они часто мало эффективны, дорогостоящие и плохо вписываются в существующий технологический процесс переработки хлопка. Поэтому, более перспективными могут быть физические методы обработки хлопка.

Нами опробованы различные виды обработки хлопка: гамма-облучение, поток ускоренных электронов, облучение (^-лазером, обработка в М и СШ электромагнитных полях.

Оценка устойчивости микроорганизмов к предложенным воздействиям осуществлялась микробиологическим методом. Изменение структуры определяли методом ИК-спектроскопии.

Показано, что гамма-облучение приводит к полному обезза-

роживанию хлопка, но при этом происходит существенное разрушение структуры, кроме того, использование установок с ионизирующим воздействие?,! в условиях текстильных производств.не приемлемо с точки' зрения усложнения техники безопасности и существенного удорожания продукции.

Использование потока ускоренных электронов выявило лишь тенденцию к уменьшению количества микроорганизмов на волокне. При использовании лазерного облучения полностью погабает вегетативная микрофлора. Однако, при этом происходят глубокие изменения структуры материала и возможно обгорание поверхностного слоя, это, вероятно, связано с малой глубиной проникновения теплового поля лазерного луча вглубь материала при нарушении структуры поверхностного слоя.

Перспективным оказалось применение Ш и СШ электромагнитного излучения. Опробовано действие СЕЧ сигналов различных частот с разным временем действия излучения. Показано, что использование СИ излучения приводит к подавлению жизнедеятельности вегетативной микрофлоры хлопка, причем структура хлопка практически остается неизменной.

Следующим этапом работы стала отработка-оптимальных режимов облучения с учетом разрешенных к использованию частот. Разработана лабораторная установка, в которой запресованные образцы хлопка выдерживались в СШ поле фиксированные промежутки времени. Эффективность стерилизации оценивалась микробиологическим методом. Оценка структуры осуществлялась по структурно-чувствительным спектроскопическим параметрам,

Оптимальные режимы стерилизации под действием СИ излучения отрабатывались на образцах хлопка, взятых из различных мест кипы (верхняя, нижняя, боковые поверхности, центр кипы), с учетом влажности хлопка.

Наилучшим решением сохранности хлопкового сырья является нахождение и создание таких условий обработки,при которых происходит уничтожение не только вегетативной микрофлоры, но и уничтожение спор. Для этой цели изготовлен экспериментальный макет установки с использованием СШ излучения с частотой 2.45 ГГц, при минимальном времени экспозиции 1 минута. Найдены режимы при которых обеспечивается полное уничтожение спор. Полученные результаты иллюстрируют специфичность стери-

матических продцедурах,условных расчетных схемах субстрата и специфических алгоритмах, в совокупности составляющих методологическое обеспечение РСФХ.

5. Осуществлена разработка СЧОС для систем автоматизаци, решающих следующие задачи: аналитическое ортогональное представление в кесверяутом виде спектральных -характеристик красителей и субстратов для полного диапазона частот (АПСХ-1); выбор рецептур крашения с учетом АПСХ-1; учет взаиодействия красителей при выборе рецептур крашения при рассмотрении дополнений аналитических ортогональных представлений спектральных характеристик АПСХ-2; представление в скатом виде, на основании использования линейных баз данных, аналитических - спектральных характеристик наборов красителей - на основании использования линейных баз данных и применения для -линейных направлений в качестве аналитической Форш функций опять ортогональных представлений.

6. Разработгч РСФХ выполнена под углом крания таких производственно-прогностических задач,как подработка рецептур-рэжнмов крашения, получекниэ рецептур-режимов крашения для условий "под заданный образец", формирования поля данных по свойствам продукта при представлении информации в сжатом виде.

у' 7. При выполнении задач СЧОС осуществлена реализация применительно к крапеншо х/б трикотажного полотна прямыми красителями следующих, современных отличающиеся новизной подходов и методов:

- при аналитических несьэрнутых представлениях на полном диапазоне частот спектральных характеристик красителей и субстратов (АПСХ-1) и при получении АПСХ-2 в практическом смысле

• применялась прикладная теория аппроксимации сложных функций полиномами и функциями .ортогональных базисов и подхода, полученные во втором слое этой теории;

. - выбор рецептур крашения осуществлен на основе использования алгоритм&в метода последовательного и совместного формирования точности и условий решения задачи (метод КУР);

- учет взаимодействия красителей осуществлялся вторичним примэнениам^метена ФТУР, которое сопровождалось использованием линейных (дискретно-аналитических) баз данных на основе ортогональных. форм;

- применение принципа задаваемых форм в испо '^зовании разреженных баз данных, имеющих в качестве выходных переменных К08ф1«щиэ]йы аналитических ортогональных [ представлений

раживанию хлопка, но при этом происходит существенное разрушение структуры, кроме того, использование установок с ионизирующим воздействием в условиях текстильных производств,не приемлемо с точки зрения усложнения техники безопасности и существенного удорожания продукции.

Использование потока ускоренных электронов выявило лишь тенденцию к уменьшению количества микроорганизмов на волокне. При использовании лазерного облучения полностью погабает вегетативная микрофлора. Оцнако, при этом происходят глубокие изменения структуры материала и возможно обгорание поверхностного слоя, это, вероятно, связано с малой глубиной проникновения теплового поля лазерного луча вглубь материала при нарушении структуры поверхностного слоя.

Перспективным оказалось применение Ш и СБЧ электромагнитного излучения. Опробовано действие СЕМ ситалов различных частот с разным временем действия излучения. Показано, что использование СЕЧ излучения приводит к подавлению жизнедеятельности вегетативной микрофлоры хлопка, причем структура хлопка практически остается неизменной.

Следующим этапом работы стала отработка-оптимальных режимов облучения с учетом разрешенных к использованию частот. Разработана лабораторная установка, в которой запресованные образцы хлопка выдерживались в СБЧ поле фиксированные промежутки времени. ЭМ^ективность стерилизации оценивалась микробиологическим методом. Оценка структуры осуществлялась по структурно-чувствительным спектроскопическим параметрам.

Оптимальные режимы стерилизации под действием СИ излучения отрабатывались на образцах хлопка, взятых из различных мест кипы (верхняя, нижняя, боковые поверхности, центр кипы), с учетом влажности хлопка.

Наилучшим решением сохранности хлопкового сырья является нахождение и создание таких условий обработки,при которых происходит уничтожение не только вегетативной микрофлоры, но и уничтожение спор. Для этой цели изготовлен экспериментальный макет установки с использованием СЕН излучения с частотой 2.45 ГГц, при минимальном времени экспозиции 1 минута. Найдены режимы при которых обеспечивается полное уничтожение спор. Полученные результаты иллюстрируют специфичность стери-

лиаующего эффекта СВД излучения. Обычный нагрев до 70°С не дает стерилизации спор грибов, термическая обработка при 150°С только в течении 2 часов может привести к частичной гибели спор, а при СВД облучении достаточно 2 минут для полной стерилизации хлопкового сырья. Подобранные режимы не влияют на состояние структуры волокна, о чем свидетельствует неизменность предложенных нами спектроскопических параметров.

Механические испытания хлопка показали, что если до СШ обработки раарывная нагрузка образца хлопка 1 сорта была 3,0Гс, то после обработки стала 3,1 lb; относительная разрывная нагрузка 23,3 Гс/текс и 24,5 Гс/текс соответственно. Оценка прочности волокон различных сортов на разрыв показала, что эти величины практически не меняются после СЩ стерилизации в течении длительного времени (по нашей оценке 6 месяцев).

ШВОДИ ПО РАБОТЕ

1, Проведена оценка качественного и количественного состава микрофлоры различных образцов хлопковых текстильных материалов, выделены и идентифицированы микроорганиамы, участвующие в процессах разрушения хлопкового сырья. Исследование видового состава микрофлоры хлопкового волокна показало доминирующее присутствие представителей родов Clostridium к Bacillus" и грибов родов Aspergillus, Penlcilllum.

2, В качестве удобного и информативного метода определения оостояния структуры хлопка предложено использовать ИК-спектро-окопичеокий метод с последующим определением параметра J) до7о' Dgoo* 0 накоплении карбонилсодержащих групп в структуре полимера при достаточно глубоких стадиях биодеструкции можно судить по параметру D i^q/D2920' а 0 накоплении белковой массы по параметрам D16ao/Da920 и D1560/D2320*

3, Методом рентгеноструктурного анализа установлена зависимость изменения кристаллической решетки хлопка в процессе биодеструкции,

4, В качестве простого, менее трудоемкого и в то же время обье* тивного предложен аналитический метод определения содержания глюкозы на поверхности волокна, косвенно отражающий количество целлюлоаораарушающей вегетативной микрофлоры, что позволяет оценить степень биозараженнооти волокна,

5. Проанализировано изменение структуры хлопка в процессе его хранения в естественных условиях, выявлена цикличность в изменении состояния структуры в зависимости от времени хранения волокна. Установлена необратимая деструкция цепей макромолекул целлюлозы биозараженного хлопка, наступающая после 9-10 месяцев хранения.

6. Оценено влияние условий -хранения хлопка на скорость протекания биодеструкционннх процессов, Показано, что при хранении образцов хлопка при температуре 24-37°С и повышенной влажности структура претерпевает наиболее существенные изменения,

7. Проведено моделирование условий преимущественного развития грибной и бактериальной микрофлоры, оценено их влияние на структуру хлопка с учетом его сорта.

8. Предложена программа математического метода обработки ИК-спектров с применением ЗШ, позволяющая представить спектр целлюлозы хлопка в виде характеристических полос поглощения (без фона поглощения водородных связей),

9. Установлено, что скорость деструкции определяется не только условиями хранения и степенью зараженности, но и состоянием исходной структуры волокна,

10. Структура хлопка-сырца, хранившегося различное время в разных условиях не соответствует сорту, определенному после сбора урожая, что необходимо учитывать при составлении смесок,

11. Зараженность хлопка "медовой росой" сочетается со значительной степенью его биозараженности', Такой хлопок обладает токсическим и аллергизирующим действием на ткани организма, что ведет к значительному ухудшению социальных условий на хлопко-перерабатывающих предприятиях-, увеличению запыленности и прочим негативным последствиям.

12. ИК-спектроскопический метод, предложенный для оценки состояния структуры хлопкового волокна; также примении и для оценки состояния структуры тканей и нитей?

13. Предложены химические методы обработки: ткани, приводящие к замедлению процессов биодеструкции-.. Такого рода антимикробные обработки могут быть полезны при: производстве ниток и при отделке окрашенных тканей на стадии: заключительной отделки,

14. Экспериментально подтверждено преимущества метода обработки хлопка в электро- магнитных СШ-полях: по-сравнению с обработкой гамма-облучением, лазерным излучением и потоком уско-

ренных электронов.

15, Проведено экспериментальное обоснование предложенных режимов обработки хлопка полями СЕН излучения, приводящее к уничтожению спор и вегетативной микрофлоры хлопка при сохранении состояния его структуры.

16, Предложена функциональная схема лабораторной установки, предназначенная для стерилизации хлопка СВЧ полями.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: ■

1. Платонова Н.В. , Бояркин К.Е., Ковальчук Т.И. Структурные превращения в целлюлозных волокнах при воздействии лазерного излучения.//Тез. докл. Всесоюзн.конференции по текстильному материаловедению "Надежность, качество, экономичность",-Киев, 1988, С.54-55. . .

2. • Платонова Н.В. , Тараканов Б.М. , Клименко И.Б., Ковальчук Т.И., Горкина Н.Б. , Иамолина И.И. Структурные изменения в хлопке, подвергнутом гамма-облучению и последующей биодеструкции.//Тез.докл. 1У Всесоюзн. конференции по физике и химии целлюлозы.- Минск, 1990, С. 155.

3. Платонова Н.В., Ковальчук 'Г.И. , Клименко И.Б., Майбу-ров.С.П. К вопросу о связи структуры и сортности хлопка.// Тез. докл. 1У Всесоюзн. конференции по физике и иимии целлюлозы,- Минск, 1990, С, 140.

4.•Платонова Н.В., Ковальчук Т.Н., Клименко И.Б., Тараканов Б.М,, Майбуров С.П., Горкина Н.Б., Ыамолина.И.И. Структурные изменения в хлопке, подвергнутом ионизирующему облучению и последующей биодеструкции.//Высокомолек.соед., Т.А.ЗЗ, 1992,

В 1, С.24-30.

5. Дергачева Л.А., К.Альмора Гранда, Платонова Н.В., Ковальчук Т.Н..Активирование реакции сшивки целлюлозы хлопка.// КПХ, Т.65, № 10, 1992, С. 2356-2360.

6.-Клименко И.Б,, Ковальчук Т.И., Платонова Н.В., Майбуров С,П., Тараканов Б.М,, Неф>едов Ы.П,, Зайцева Л.И. Влияние биодеструкции на структуру хлопкового волокна.// Текстильная химия, 15 1, 1993, С, 15-20.

7. Виноградов Б,А., Ковальчук Т.Н., Лукичев С.И, Модифицированный метод дифференцирования ШС-спектров хлопка.// Цежвуэ,сб.научн,тр,СПГУЩ "Автомат.проектирование систем упраг ления технолог,проц,текстильн. и легкой пром'.' 1993, С,20-21

S&Al---