автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Разработка шерстяных волокон с прогнозируемыми физико-механическими и технологическими свойствами за счет модификации исходного сырья

На правах рукописи

СЛЕПНЕВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНА

РАЗРАБОТКА ШЕРСТЯНЫХ ВОЛОКОН С ПРОГНОЗИРУЕМЫМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ЗА СЧЕТ МОДИФИКАЦИИ ИСХОДНОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2013

1 О ОКТ 2013

005534584

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Хамматова Венера Василовна

Официальные Киселев Михаил Владимирович,

оппоненты: доктор технических наук, доцент, ФГБОУ

ВПО «Костромской государственный технологический университет», проректор по научной работе

Владимирцева Елена Львовна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная химико-технологическая академия », доцент кафедры химической технологии волокнистых материалов

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Защита состоится «31» октября 2013 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.09 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зап заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан « » сентября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Н.В. Тихонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 н 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:

1. проведение анализа существующих способов повышения комплекса свойств шерстяного волокна в процессе их первичной обработки;

2. выбор объектов, определение методов и методик исследования;

3. исследование влияния плазменной обработки на физико-механические и технологические характеристики шерстяных волокон в процессе их первичной обработки;

4. 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 исследовании. 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 2658885). 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 (^а^Иса 6.0», погрешность результатов оценена с помощью методов статистической обработки экспериментальных данных при доверительной вероятности 0,95.

Научная новизна работы.

1. 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.

2. 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.

3. 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 а-спирали и амино-кислотными остатками матрикса вследствие чего происходит уплотнение надмолекулярной структуры полипептидной цепи.

4. 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 гидрофобизируюшими свойствами.

5. 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.

6. 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.

1. Установлены технологические параметры плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления, позволяющие направленно регулировать сорбционные характеристики шерстяного сырья в процессе его первичной обработки.

2. Определены режимы плазменной модификации шерстяного сырья, позволяющие повысить прочностные характеристики волокон на 30 - 39% в зависимости от вида волокна

3. 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%.

4. 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:

1. Результаты экспериментальных исследований, доказывающие, что плазменная модификация шерстяного сырья в процессе первичной обработки позволяет улучшать физико-механические и технологические характеристики волокон.

2. Результаты исследования влияния образования ассоциативной структуры на показатели сорбционных свойств модифицированных шерстяных волокон.

3. 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.

4. 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 Международной научно-практической конференции «Кожа и мех в 21 веке: технология, качество, экология, образование» (Улан-удэ, 2011, 2012); I Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы «Наноматериалы, нанотехнологии, наноиндустрия» (Казань, 2010); Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2012, 2013), Международной конференции «Физика высокочастотных разрядов» 1CPRFD (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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, определены цели, намечены задачи для их достижения, показана научная новизна, практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту, и представлена структура диссертации.

В первой главе представлен обзор публикаций, в которых рассмотрены состав шерстяного сырья, поступающего на отечественные предприятия ПОШ и его свойства. Приведена характеристика загрязняющих веществ шерстяного сырья, и современные способы их удаления в процессе первичной обработки шерсти.

Представлен обзор электрофизических методов, применяемых для улучшения характеристик кератинсодержащих волокон при их переработке. На основе анализа методов модификации волокон с целью создания производства шерсти с регулируемыми физико-механическими и технологическими

свойствами, проведено обобщение результатов теоретических исследований что позволило сформулировать цель и основные задачи работы.

Во второй главе обоснован выбор объектов исследования - шерсть овечья мериносовая I длины, полутонкая однородная I длины, полугрубая неоднородная высшего сорта I длины и приведены их характеристики.

Представлено описание экспериментальной ВЧЕ плазменной установки пониженного давления, применяемой в процессе модификации шерстяного волокна.

Описаны стандартные методики оценки физико-механических и технологических свойств исследуемых объектов, а также методы исследования структурных преобразований в результате воздействия потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на шерстяное сырье.

Проведена оценка погрешности результатов экспериментальных данных характеристик физико-механических и технологических свойств шерстяных волокон с доверительной вероятностью 0,95.

В третьей главе представлены результаты исследований изменения структуры, физико-механических и технологических свойств шерстяных волокон, модифицированных потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления.

При обработке плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления шерстяные волокна подвергаются воздействию следующих факторов: происходит взаимодействие волокон с активными и неактивными частицами плазмы десорбция атомов и молекул с поверхности тела, изменение структуры и фазового состояния кератина, бомбардировка внешней поверхности волокна низкоэнергетичными ионами, а также модификация внутренней поверхности стенок пор и капилляров вследствие рекомбинации ионов. Остальные процессы не вносят существенного энергетического вклада в процессы модификации

Поверхностная обработка осуществляется за счет бомбардировки низкоэнергетическими ионами поверхности волокон. В потоке плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления шерстяное сырье становится дополнительным электродом, вокруг которого образуется слой положительного разряда (1 5-2мм) благодаря колеоаниям электронов в осциллирующем электрическом поле относительно малоподвижных ионов. Ионы плазмы, приобретая дополнительную энергию (ЮОэВ) за счет ускорения в электрическом поле слоя положительного заряда, бомбардируют поверхность обрабатываемых шерстяных волокон что приводит к изменению поверхностных свойств.

Объемная обработка происходит вследствие возникновения в порах и капиллярах несамостоятельного разряда, в результате которого во внутренней полос™ волокон возникают заряженные частицы - ионы и электроны Последующая рекомбинация этих частиц на внутренней поверхности пор и капилляров с выделением энергии рекомбинации (13,6 - 15,76 эВ) приводит к информационным изменениям молекул, разрыву и образованию новых

межмолекулярных связей, вследствие перехода а-конформации в р-форму и как следствие упорядочению надмолекулярной структуры.

Влияние плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на внутреннюю структуру шерстяных волокон исследовали по микрофотографиям поперечного среза (рис.2), полученного методом РЭМ. Фибриллы в шерстяном волокне контрольного образца распределены равномерно, между ними хорошо прослеживаются слои межмакрофибриллярного матрикса. В волокне шерсти, прошедшем обработку в аргоновой плазме фибриллы уложены плотно, без четких матричных пространств, матрикс сосредоточен на отдельных участках. В шерстяном волокне, прошедшем обработку в смеси газов аргон/пропан-бутан макрофибриллы дифференцированы лучше, чем в первом случае обработки, матрикс равномерно распределен в межмикрофибриллярном пространстве, наблюдается незначительное скопление матрикса на отдельных участках.

а) б) в)

Рисунок 1 - Микрофотографии поперечных срезов шерстяного волокна в области ортокортекса*20000: а) контрольный образец; б) опытный образец (\Ур= 1,7кВт, 0д,=0,04г/с, Р=26,6 Па, 1=5мин, [ = 13,56 МГц); в) опытный образец (У/р=1,9кВт, Оаргон_ пролан-бутан =0,06г/с, Р=26,6 Па, 1=6мин, {= 13,56 МГц)

Термический анализ показал, что на кривой ДСК модифицированного образца наблюдается смещение эндотермических максимумов опытных образцов относительно контрольных в пределах 10°С. Это свидетельствует об увеличении кристаллической фазы кератина модифицированного образца. Сопоставление кривых ТГ контрольного и опытного образцов показывает, что потеря массы модифицированного образца меньше контрольного на 9%. Данный факт говорит о повышении термостабильности кератина модифицированных шерстяных волокон.

Методом ИК-спектроскопии зарегистрированы конформационные изменения, которые характеризуются смещением спектра от 1655 см"1 к 1630 см' и от 1550 см"! к 1520 см". Увеличение интенсивности полос поглощения ОН-групп (3600-3000 см"1 и 1400-1000 см"1) шерстяного волокна связано с образованием сильных ассоциатов. Увеличение интенсивности группы полос поглощения в области 1695 см"' за счет группировок карбоксильных и амидных групп происходит благодаря усилению водородных связей между сильно полярным кислородом этих группировок и водородом гидроксильных групп.

При плазменной обработке шерстяного волокна в смеси аргон-пропан-бутан интенсивность полосы поглощения ОН-группировок уменьшается по сравнению с необработанным аналогом, что связано с нарушением ассоциативной структуры волокна, как следствие, меньшей интенсивности полосы поглощения гидроксильной группы и кислотных группировок.

Данные рентгенноструктурного анализа показывают уменьшение полуширины дифракционных максимумов, следовательно, плазменная обработка способствует дополнительному упорядочению структуры шерстяного волокна.

Влияние плазменной обработки на изменение кутикулярного слоя модифицированных шерстяных волокон исследовали методами КЛСМ (рис.2) и РЭМ (рис. 3). На основе анализа рельефа поверхности шерстяных волокон, установлено, что их обработка плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления приводит к поверхностным изменениям кутикулярного слоя (рис.2).

б)

В)

Рисунок 2 - Результаты исследования профиля рельефа поверхности мериносового шерстяного волокна до и после плазменной обработки методом КЛСМ: а) контрольный образец; б) опытный образец (\УР= 1,7кВт, 0Дг=0,04г/с, Р=26,6 Па,

Н5МШІ, Г = 13,56 МГц); в) опытный образец (\УР=1,9 кВт, Оаргон.„ропан.6утан Р=26,6 Па, 1=6мин,Ґ= 13,56 МГц)

=0,06г/с.

а) б) в)

Рисунок 3 - Микрофотографии мериновоого шерстяного волокна до и после плазменной обработки *2000: а) контрольный образец; б) опытный образец, обработанный в гидрофильном режиме ; в) опытный образец, обработанный в гидрофобном режиме (режимы в табл.3)

У контрольного образца (рис. 3) наблюдается прилегание чешуек кутикулы со значительным распределением оставшихся после промывки загрязнений. При использовании в процессе плазменной обработки инертного газа наблюдается раскрытие чешуек кутикулы, вследствие придания им отрицательного заряда, что вызывает электростатическое отталкивание одноименно заряженных чешуек кутикулы волокна, в результате чего поверхность волокна становится гидрофильной. Модификация шерстяного сырья в смеси газов аргон-пропан-бутан приводит к сглаживанию поверхности волокна. Данный эффект происходит благодаря образованию ультратонкого углеродного слоя за счет фиксации свободного углерода посредством физической адсорбции, придавая тем самым поверхности волокна гидрофобные свойства.

В связи с этим экспериментальные исследования влияния плазменной обработки на изменение показателей физико-механических и технологических свойств проводили в гидрофильном и гидрофобном режиме.

Модификация шерстяного сырья перед промывкой -обеспечивает выравнивание характеристик волокна по длине, что проявляется в изменении структурно-морфологического строения волокон шерсти за счет увеличения их кристаллической фазы. Данный факт положительно сказывается на показателях физико-механических и технологических свойств модифицированной шерсти.

В процессе первичной обработки шерсти при приложении внешних сил наибольшее значение имеет прочность волокон на разрыв, критерием оценки которой является разрывная нагрузка (рис. 4) .. 12

2 10

щшт .......шш Е її а ■

Рисунок 4 -Изменение показателя относительной разрывной

мериносовая полутонкая полугрубая

3 контрольный образец В модифицированный образец (аргон)

нагрузки

волокон,

потоком

разряда

давления

табл.3)

шерстяных обработанных плазмы ВЧЕ пониженного (режимы в

В результате плазменной обработки происходит упорядочение надмолекулярной структуры за счет увеличения кристаллической фазы кератина, и как следствие, улучшение прочностных характеристик шерстяных волокон. Кроме того, проведены исследования прочностных характеристик по устойчивости эффекта плазменной модификации шерстяного сырья во времени, которые свидетельствуют о том, что по истечении 1 года показатель разрывной нагрузки не ухудшается.

Исследование шерстяных волокон после плазменной обработки показали, что наблюдается изменение длины распрямленного волокна, при этом извитость остается неизменной. Экспериментальные исследования усадки модифицированных шерстяных волокон проводили в два этапа: на первом -влияние плазменной обработки, а на втором - влияние процесса промывки и сушки (рис.5).

| Рисунок 5 - Влияние

1-.. плазменной обработки на :<) показатель усадки шерстяных 1. волокон (режимы в табл.3)

мериносовая полутонкая полугрубая Я контрольный образец ©модифицированный образец (аргон)

Сокращение линейных размеров опытных образцов шерстяных волокон на 4,8 - 5,5 % в зависимости от вида волокна после плазменной модификации происходит благодаря конформационным изменениям макромолекул волокон шерсти, вследствие чего происходит усиление водородных связей между аминогруппами и гидроксилами боковых цепей а-спирали и амино-кислотными остатками матрикса что приводит к уплотнению надмолекулярной структуры шерстяных волокон, в результате чего происходит их усадка. В процессе промывки шерсти происходит набухание волокон, вызывающее ослабление связей между макромолекулами. Последующая сушка шерсти приводит к дополнительному уплотнению надмолекулярной структуры.

Необходимо отметить, что плазменная обработка шерстяного сырья в процессе его первичной обработки способствует осуществлению полной усадки шерстяных волокон. Это приводит к стабилизации размеров волокна. У контрольных образцов, напротив, на последующих стадиях жидкостной обработки происходит значительное изменение линейных размеров волокон.

Одной из важнейших характеристик качества неокрашенных текстильных материалов является их белизна. В связи с этим исследовано влияние плазменной обработки шерстяного сырья на показатель белизны волокон, по результатам которого установлено, что наблюдается увеличение данного показателя на 1213% в зависимости от вида волокна. В процессе поверхностной обработки происходит раскрытие чешуек кутикулы, а объемная модификация приводит к

разрушению Ван-дер-Ваальсовых межмолекулярных связей меланокератинов. Корковый слой становится более пористым, что облегчает доступ к нему моющего раствора и влаги, в результате чего увеличивается показатель белизны.

Исследования влияния плазменной обработки шерстяного сырья в среде аргона, показали, что происходит увеличение показателей сорбционных свойств волокон, в частности, водопоглощаемости, результаты которых представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Влияние плазменной обработки в гидрофильном режиме на показатель водопоглощаемости шерстяных волокон (режимы Б табл.3)

3 4 5 6 7 8 9 1'мин —•— мериносовая \Ур=1,8кВт —«—полутонкая \Ур=1,7кВт —*—полугрубая \Ур=1,5кВт

Увеличение сорбционной активности опытных образцов связано с образование сильных ассоциатов за счет усиления межмолекулярных связей между сильно полярным кислородом карбоксильных групп и водородом гидроксилов боковых цепей а-спирали.

Существенное влияние плазменная обработка оказывает на содержание нешерстяных компонентов в мытой шерсти (табл. 1).

Таблица 1 - Изменение показателей технологических свойств модифицированных шерстяных волокон в гидрофильном режиме (режимы плазменной обработки

Наименование показателя Относительное изменение показателя. %

мериносовое волокно полутонкое волокно полугрубое волокно

Содержание массовой доли растительных примесей, % -34,7 -29,7 -31,7

Содержание массовой доли минеральных примесей, % -31.5 -36,9 -39,5

Содержание массовой доли жира. % -25.0 -24,2 -27,9

В результате поверхностной модификации происходит распыление загрязнений, а раскрытие чешуек кутикулы при плазменной модификации шерстяного сырья в инертном газе способствует более легкому проникновению моющего раствора внутрь волокна и как следствие полному вымыванию растительных, минеральных примесей и жира с поверхности волокон в процессе промывки.

На следующем этапе исследовали влияние плазменной модификации шерстяного сырья в гидрофобном режиме на характеристики физико-механических свойств мытых шерстяных волокон (табл.2).

Таблица 2 - Изменение показателей физико-механических и технологических свойств шерстяных волокон, модифицированных в гидрофобном режиме (режимы в табл.3)___

Наименование показателя Относительное изменение показателя. %

шерсть мериносовая шерсть полутонкая шерсть полугрубая

Разрывная нагрузка, сН/текс 27,1 26,5 23,1

Белизна, % -6,6 -6,2 -6,1

Водопоглощаемость, % -24,6 -22,8 -18,7

В процессе плазменной обработки в гидрофобном режиме происходит разрушение молекул углеводорода с образованием радикалов, атомов и ионов углерода. Благодаря ионному потоку аргона на поверхность шерстяных волокон осаждается и одновременно фиксируется слой углерода посредством физической адсорбции, в результате на поверхности волокна образуется углеродный слой, обладающий гидрофобными свойствами, вследствие чего происходит снижения показателей водопоглощаемости и белизны.

На основе долгосрочных экспериментальных исследований по устойчивости модифицированной шерсти к повреждению молью установлено, что, не зависимо от выбранного режима плазменной обработки, опытные образцы при хранении в течение трех лет не подверглись повреждениям молью.

Анализ результатов исследования физико-механических и технологических свойств модифицированных шерстяных волокон позволяет утверждать, что изменения относительных показателей исследуемых свойств зависят от внутренней структуры волокон. У образцов с плотной структурой происходит значительное увеличение относительных значений физико-механических и технологических показателей по сравнению с более рыхлыми по структуре образцами.

В результате экспериментальных исследований определены

технологические параметры плазменной модификации, позволяющие улучшать показатели физико-механических и технологических свойств шерстяного сырья.

Таблица 3- Технологические параметры плазменной обработки шерстяных волокон

Наименование волокна Режимы обработки (1 -гидрофильный; 2-гидрофобный) Р = 26.6 Па. Г= 13,56 МГц

мериносовое 1. XV„=1.8 кВт, вм = 0,04 г/с, 1=5 мин

2. \У„=2,0 кВт, О.огон-п^а^ч = 0,06 г/с, 1=6 мин

полутонкое 1. >^„=1,7 кВт, вд, = 0,04 г/с, 1=5 мин

2. \\'„=1,9кВт, Са„гон.пмпгн.в„ан = 0,06 г/с, 1=6 мин

полугрубое I. \У„=1,5 кВт, Сд, = 0,04 г/с. 1=5 мин

2. \\'г=1,7кВт, Савгон.га,опм-бута„ = 0,06 г/с. 1=6 мин

Таким образом, доказано, что плазменная обработка шерстяного сырья позволяет получать волокна с прогнозируемыми показателями различных свойств: прочности, усадки, белизны, содержания массовой доли нешерстяных компонентов.

Четвертая глава посвящена разработке схемы технологического процесса получения шерстяных волокон с улучшенными физико-механическими и технологическими характеристиками.

В зависимости от содержания массовой доли растительных примесей в шерсти рекомендуется плазменная модификация шерстяного сырья в процессе первичной обработки шерсти по двум вариантам (рис.7):

1 вариант - единовременная плазменная обработка шерстяного сырья в гидрофильном режиме. Данный вариант предусматривается для нормальной шерсти с содержанием растительных примесей не более 1 % в том числе репей-пилку не более 0,005% (6 коробочек средней величины в 1,0 кг мытой шерсти).

2 вариант - плазменная обработка шерсти в два этапа: на первом -плазменная модификация шерстяного сырья после разрыхления в гидрофильном режиме с целью подготовки его к промывке; на втором - после сушки с цель подготовки ее к процессу карбонизации. Данный вариант предусматривается для репейной шерсти с содержанием массовой доли растительных примесей свыше 3% или репей-пилку свыше 0,01% (более 12 коробочек средней величины на 1,0 кг мытой шерсти).

Внедрение плазменной обработки шерстяного сырья перед процессом промывки (Р-26,6 Па, САг=0,04 г/с, I = 5 мин, ґ=13,56МГц: для мериносового волокна \Ур =1,8 кВт; полутонкого \Ур =1,7 кВт и полугрубого =1,5 кВт) позволяет получать волокна с показателями физико-механических и технологических свойств значительно превосходящими по сравнению с типовой технологией: разрывная нагрузка увеличивается на 30-39%, показатель усадки составляет 3,8-5,6% в зависимости от вида волокна. Установлено, что данный вариант технологического процесса способствует раскрытию чешуек волокна, в результате чего происходит более легкое вымывания загрязнений с поверхности волокна вследствие чего снижается содержание массовой доли нешерстяных компонентов на 29-39% и жиропота на 24-27% в зависимости от вида волокна.

Модификация шерсти перед прессованием в гидрофобном режиме (Р=26,6 Па, I = 6 мин, Саргон,;,.,опзн_Сутгч=0,06 г/с; для мериносовой шерсти \УР = 2,0 кВт, полутонкой \\'р = 1,9 кВт и №'р = 1,7 кВт для полугрубой шерсти), способствует приданию волокнам гидрофобных свойств (показатель водопоглощаемости уменьшается на 18 - 25 % в зависимости от вида волокна), подготавливая тем самым шерсть к процессу карбонизации.

Внедрение в технологический цикл первичной обработки шерсти плазменную модификацию ВЧЕ разрядом пониженного давления приводит к ее интенсификации за счет сокращения количества химреагентов на 18%; времени технологических операций промывки и сушки на 13 %, энергозатрат на 15%.

Экономический эффект от внедрения плазменной технологии в процесс первичной обработки шерсти составляет 1.3 млн. руб. в год.

Вариант 1 Вариант 2

Рисунок 7 - Блок-схема технологического процесса получения шерстяных волокон с использованием плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления в процессе их первичной обработки

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что применение инертного газа в процессе плазменной модификации шерстяного сырья позволяет увеличить показатель белизны волокон на 12 -13% в зависимости от вида волокна.

2. Экспериментально доказано, что плазменная модификация шерстяного сырья в процессе его первичной обработки приводит к полной усадке волокон, что связано с увеличение плотности надмолекулярной структуры за счет конформационных преобразований макромолекул.

3. 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, а при модификации шерсти в смеси аргон-пропан-бутан происходит нарушение ассоциативной структуры волокна за счет образования углеродного слоя, обладающего гидрофобными свойствами.

4. На основе экспериментальных исследований установлено, что модификация шерстяного сырья плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления

16

приводит к уменьшению содержания массовой доли нешерстяных компонентов: минеральных примесей на 31 - 39 %; растительных примесей на 29 - 34 %, жира на 24 - 28% в зависимости от вида волокна.

5. На основе анализа экспериментальных исследований предложен механизм физического воздействия плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на кератин шерсти, приводящий к улучшению физико-механических и технологических характеристик модифицированных волокон.

6. Установлено, что эффект плазменной модификации 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 (показатель разрывной нагрузки увеличился у мериносовых волокон на 39 %, у полутонких на 37%, у полугрубых на 30%).

7. Определены технологические параметры плазменной модификации, позволяющие улучшать показатели физико-механических и технологических свойств шерстяного сырья. Технологическими параметрами плазменной модификации в гидрофильном режиме являются Wp=l,5-1,8 кВт, GAi = 0,04 г/с, t=5 мин, Р=26,6Па, f = 13,56 МГц в зависимости от вида волокна.

8. Выявлено, что плазменная модификация шерстяных волокон позволяет интенсифицировать процесс их первичной обработки, сократить продолжительность процесса промывки и сушки на 13 % и расход химреагентов (сульфанола и кальцинированной соды) на 18%.

9. Разработана схема комплексной энерго-и ресурсосберегающей технология получения шерстяных волокон с регулируемыми физико-механическими и технологическими характеристиками. Экономический эффект от внедрения разработанной технологии составляет 1,3 млн. руб. в год.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК

РФ:

1. Слепнева Е.В. Исследование повышение прочности шерстяного волокна в результате обработки потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления / Е.В. Слепнева. И.Ш.Абдуллин В.В. Хамматова // Текстильная промышленность,- 2010.-№4.-С.54-57.

2. Слепнева Е.В. Влияние потока плазмы на микроструктуру и свойства полимеров / Слепнева Е.В., Абдуллин И.Ш., Хамматова В.В // Вестник Казанского технологического университета. -2010,- №10,- С.154-157.

3. Слепнева Е.В., И.Ш.Абдуллин, В.В. Хамматова Современные методы модификации биополимеров / Е.В. Слепнева, И.Ш.Абдуллин. В.В. Хамматова // Вестник Казанского технологического университета. - 2010.- № 10,- C.I61 -165.

4. Слепнева Е.В. Исследование сорбционных свойств шерстяных волокон, модифицированных потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления / Е.В.

Слепнева, И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова // Вестник Казанского технопогического университета. - 2011.- № 16,- С. 106- 110.

5. Слепнева Е.В. Влияние воздействия потока плазмы на содержание массовой доли минеральных примесей в натуральных полимерах / Е.В. Слепнева, И.Ш Абдуллин, В.В. Хамматова // Вестник Казанского технологического университета -

2011.- №6,- С.155 - 158. '

6. Абдуллин И. Ш. Влияние неравновесной низкотемпературной плазмы на технологические свойства шерстяного волокна. / И.Ш. Абдуллин. В.В. Хамматова, Е.В. Слепнева//Текстильная промышленность,- 2012.-№2,- С. 25-28.

7. Абдуллин И. Ш. Влияние моющих веществ на промывку шерстяных волокон в процессе их первичной обработки. / И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова, Е.В. Слепнева// Вестник Казанского технологического университета-2012,- т. 15, № 14 -С.79-81

8. Слепнева Е.В. Модификация наноструктуры шерстяных волокон в процессе их первичной обработки./Е.В. Слепнева, И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова //' Вестник-Казанского технологического университета.-2012,- т. 15, № 15 -С.93-94.

9. Слепнева Е.В. Исследование влияния низкотемпературной плазмы на усадку шерстяных волокон в процессе их первичной обработки./' Е.В. Слепнева. И.Ш. Абдуллин. В.В. Хамматова // Вестник Казанского технологического университета -

2012.- т. 15, № 20 -С.41 -42.

10. Слепнева Е.В. Влияние плазменной модификации мериносовой шерсти в процессе ее первичной обработки на структуру волокон. / Е.В. Слепнева. И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова // Вестник Казанского технологического университета -

2013.- т.16,№ 3 -С.53-54.

Материалы конференций, статьи:

11. Абдуллин И.Ш. Применение низкотемпературной плазмы для оптимизации процесса первичной обработки шерсти / И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова, Е.В. Слепнева // Наноматериалы, панотехнологии. наноиндустрия: сб.статей I всероссийской науч.-иракт. конф. С элементами научной школы. - Казань- Изд-во КГТУ. 2010.-С. 112-116. '

12. Абдуллин И.Ш. Влияние потока плазмы ВЧЕ - разряда на содержание массовой доли минеральных примесей в шерстяных волокнах / И.Ш. Абдуллин. В.В. Хамматова. Е.В. Слепнева // Новые технологии и материалы легкой промышленности: сб. статей VI межд. науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых. - Казань- Изд-во КГТУ, 2010 - С. 136 -138.

13. Абдуллин И.Ш. Исследование механических свойств шерстяных волокон, модифицированных потоком плазмы ВЧЕ-разряда / И.Ш. Абдуллин. В.В. Хамматова. Е.В. Слепнева // Новые технологии и материалы легкой промышленности: сб. статей VII межд. науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых. - Казань- Изд-во КГТУ 2011-С. 245-248.

14. Слепнева Е.В. Влияние неравновесной низкотемпературной плазмы на физико-химические свойства шерстяного волокна / Слепнева Е.В, Хамматова В.В., Абдуллин И.Ш. // Новые технологии и материалы легкой промышленности: сб. статей VIII межд. науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2012 - С-285 - 288.

15.Абдуллин И.Ш. Исследование влияния плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на шерстяное волокно / Абдуллин И.Ш., Хамматова В.В., Слепнева Е.В. // Кожа и мех в 21 веке. Технология, качество, экология, образование: материалы конференции VII межд. науч.-практ. конф. - Улан-Уде: Изд-во ВСГУТУ. 2011- С. 64 -67.

16. Абдуллин И.Ш. Влияние ВЧЕ разряда пониженного давления на процесс очистки шерстяных волокон от растительных и минеральных примесей / И.Ш.Абдуллин, В.В. Хамматова, Е.В. Слепнева// Кожа и мех в XXI веке. Технология, качество, экология, образование: материалы VIII межд. науч.-практ. конф. - Улан-Уде: Изд-во ВСГУТУ, 2012-С. 155-160.

17. Слепнева Е.В. Современные методы удаления нешерстяных компонентов в процессе первичной обработки шерсти Е.В. Слепнева, И.Ш.Абдуллин, В.В. Хамматова // Жить, в 21 веке: материалы конкурса на лучшие работы студентов и аспирантов.-Казань: Изд-во КНИГУ, 2012-С. 135 - 138.

18. Абдуллин И.Ш. Исследование влияния модификации шерсти низкотемпературной плазмой на процесс ее промывки / И.Ш. Абдуллин. В.В. Хамматова. Е.В. Слепнева // Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов: сб.материалов межд.молодежной конф.. - Казань: Изд-во КНИ ГУ. 2012-С.181 -184.

19. Абдуллин И.Ш. Применение современных методов получения шерстяных волокон с улучшенными свойствами i И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова, Е.В. Слепнева // Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов: сб.материалов межд.молодежной конф.. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2012 -С. 184 - 186.

Апробация работы (тезисы докладов)

20. Абдуллин И.Ш. Модификация шерстяного волокна с помощью плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления / И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова, Е.В. Слепнева// Актуальные проблемы науки о полимерах: сб. материалов науч. школы с межд. участием. - Казань: Изд-во КГТУ. - 2011. - С. 205 - 206.

21. Абдуллин И.Ш. Влияние потока плазмы ВЧЕ разряда на прочность шерстяного волокна И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова, Е.В. Слепнева // Современные экологически безопасные технологии производства кожи и меха: сб. научных трудов III межд. науч.-практ. конф. - Киев: Изд-во КНУТД, 2010 - С. 72 - 73.

22. Абдуллин И.Ш. Воздействие потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на наноструктуру шерстяного волокна / И.Ш. Абдуллин, В.В.Хамматова, Е.В. Слепнева // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленнсти (ПРОГРЕСС 2010): сб. материалов межд. науч.-практ. конф. Часть 1,-Иваново: Изд-во ИГТА, 2010 - С. 170-171.

23. Абдуллин И.Ш. Поток плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления как инструмент модификации шерстяных волокон / Абдуллин. Е.В. Слепнева, В.В. Хамматова // Тезисы докладов XXXIX Международной (Звенигородской) конф. по физике плазмы и УТС. - Москва: Академиздатцентр «Наука». -2012. - С. 162.

24. Абдуллин И.Ш. Влияние воздействия потока плазмы ВЧЕ- разряда пониженного давления на содержание массовой доли нешерстяных компонентов в процессе первичной обработки шерсти / И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова, Е.В.

Слепнева // Материалы международной конференции «Физика высокочастотных разрядов» посвященной 100-летию со дня рождения Г.И. Бабата 1СРЯРО 2011. -Казань,-2011.-С.301 - 302.

25. Слепнева Е.В. Инновационные технологии в процессе первичной обработки шерсти. // Материалы международной конференции «Физика высокочастотных разрядов» посвященной 100-летию со дня рождения Г.И. Бабата 1СРЯРО 2011. -Казань. - 2011.-С.322 - 323.

26. Слепнева Е.В. Оптимизация технологического процесса первичной обработки шерсти / Е.В. Слепнева. В.В. Хамматова, И.Ш.Абдуллин // Аннотации сообщений «Научная сессия КНИТУ». - Казань: Изд-во КНИТУ. - 2012. - С. 311.

27. Слепнева Е.В. Исследование линейных размеров шерстяных волокон, модифицированных потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления / И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова, Е.В. Слепнева // Плазменные технологии в исследованиях и получении новых материалов: сб. материалов межд. науч. конф. и межд. Школ молодых ученых и специалистов. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2012. - С.

28. Абдуллин И.Ш. Исследование влияния плазменной обработки на степень белизны шерстяных волокон в процессе их первичной обработки/ Абдуллин, Е.В. Слепнева, В.В. Хамматова // Тезисы докладов ХЬ Международной (Звенигородской) конф. по физике плазмы и УТС. - Москва: Академиздатцентр «Наука». -2013. -

278 - 279.

С.209.

Соискатель

Е.В. Слепнева

Выражаю искреннюю благодарность д.т.н., профессору И.Ш. Абдуллину, принимавшему участие в постановке задач работы, проведении экспериментов и обсуждении их результатов.

Заказ №

Тираж 100 экз'.

Офсетная лаборатория КНИТУ

420015 г. Казань, ул. К. Маркса, 68

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201363623

На правах рукописи

СЛЕПНЕВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНА

РАЗРАБОТКА ШЕРСТЯНЫХ ВОЛОКОН С ПРОГНОЗИРУЕМЫМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ЗА СЧЕТ МОДИФИКАЦИИ ИСХОДНОГО СЫРЬЯ

05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой

промышленности

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Хамматова В.В.

Казань-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ШЕРСТИ 14

1.1 Состав и свойства шерстяного сырья, применяемого в процессе первичной обработки шерсти 14

1.2 Современные методы первичной переработки шерстяного волокна 29

1.3 Электрофизическая модификация шерстяного волокна в процессе первичной обработки шерсти 50

1.4 Задачи диссертации 58 ГЛАВА 2. ВЫБОР ОЪЕКТОВ, АППАРАТУРЫ И МЕТОДИК ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 60

2.1 Выбор объектов исследования 60

2.2 Аппаратура, ее характеристики и принцип действия 63

2.3 Методики проведения исследований характеристик шерстяного волокна 65

2.4 Методы статистической обработки результатов экспериментов 70

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОТОКА ПЛАЗМЫ ВЧЕ РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ШЕРСТЯНОГО ВОЛОКНА В ПРОЦЕССЕ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ШЕРСТИ 73

3.1 Основы физического взаимодействия плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления с шерстяными волокнами 73

3.2 Изучение влияния потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на физико-механические характеристики шерстяных волокон в процессе первичной обработки шерсти 77

3.3 Изучение влияния плазмы высокочастотного емкостного разряда пониженного давления на технологические характеристики шерстяных волокон в процессе первичной обработки шерсти 108

3.4 Влияние потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на структурные характеристики шерстяных волокон в процессе первичной обработки шерсти 114

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПЛАЗМЫ ВЧЕ РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ШЕРСТИ 132

4.1 Разработка технологического процесса первичной обработки шерсти с применением высокочастотной плазмы пониженного давления 132

4.2 Оптимизация технологических операций в процессе первичной обработки шерсти с применением потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления 139

Выводы 147

Список использованных источников 149

Приложение 165

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВЧЕ высокочастотный емкостной

ВЧ высокочастотный

СВЧ сверхвысокочастотный

ПАВ поверхностно-активное вещество

СМС синтетическое моющее средство

ПОШ первичная обработка шерсти

ИК инфракрасный

УЗ ультразвуковой

вмм высокомолекулярные материалы

в расход плазмообразующего газа, г/с

р рабочее давление в разрядной камере, Па

\Ур мощность разряда, кВт

г частота генератора, МГц

1 время обработки, мин

8 диэлектрическая проницаемость

Ро относительная разрывная на грузка

Мж содержание остаточного жира

Хщ содержание массовой доли минеральных примесей

Хр содержание массовой доли растительных примесей

Пв водопоглощаемость

V/, гигроскопичность

X усадка

показатель осветления волосяного покрова

ВВЕДЕНИЕ

Шерстяная и полушерстяная продукция текстильной и легкой промышленности имеет устойчивый спрос и востребована во многих сферах жизнедеятельности человека. В условиях открытости российского рынка при вхождении России в ВТО необходим выпуск продукции, обладающей конкурентоспособными преимуществами. Исходя из этого, в настоящее время в области текстильного материаловедения стоит новая задача -получение шерстяных и полушерстяных текстильных материалов с прогнозируемыми физико-механическими и технологическими свойствами 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 плазменная

обработка высокочастотным емкостным разрядом пониженного давления

кератинсодержащих материалов позволяет улучшать одни заданные

свойства, не ухудшая остальныя. Выше изложенное дает основание

5

предположить возможность применения плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления для модификации шерстяного сырья с целью 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 ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» 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 ряда основных задач:

1. анализ существующих способов улучшения показателей свойств шерстяных волокон в процессе их первичной обработки;

2. выбор объектов, определение методов и методик исследования;

3. исследование влияния плазменной обработки на физико-механические и технологические характеристики шерстяных волокон в процессе их первичной обработки;

4. 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 зависимостей влияния плазмы высокочастотного емкостного разряда пониженного давления на показатели свойств 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 с помощью пакета программ к^айБЙса 6.0». С помощью методов статистической обработки экспериментальных данных оценена погрешность результатов. Доверительная вероятность составила 0,95.

Научная новизна работы.

1. 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.

2. 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.

3. 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 а-спирали и амино-кислотными остатками матрикса вследствие чего происходит уплотнение надмолекулярной структуры полипептидной цепи.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

1. Установлены технологические параметры плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления, позволяющие направленно регулировать сорбционные характеристики шерстяного сырья в процессе его первичной обработки.

2. Определены режимы плазменной модификации шерстяного сырья, позволяющие повысить прочностные характеристики волокон на 30 - 39% в зависимости от вида волокна

3. Выявлено, что плазменная модификация шерстяного сырья позволяет интенсифицировать процесс его первичной обработки, сократить продолжительность процесса промывки и сушки на 13 % и расход химреагентов (сульфонола и кальцинированной соды) на 18%.

4. 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 плазменной модификации шерстяного сырья в процесс первичной обработки шерсти составляет 1,3 млн. руб. в год.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований, доказывающие, что плазменная модификация шерстяного сырья в процессе первичной обработки позволяет улучшать физико-механические и технологические характеристики волокон.

2. Результаты исследования влияния образования ассоциативной структуры на показатели сорбционных свойств модифицированных шерстяных волокон.

3. 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.

4. 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 состоит: в опубликованных в соавторстве работах; выборе и обосновании методик экспериментов; непосредственном участии в подготовке и проведении экспериментов; анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов, в разработке рекомендаций по применению плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления в технологическом процессе первичной обработки шерсти.

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 легкой 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 Международной

научно-практической конференции «Кожа и мех в 21 веке: технология, качество, экология, образование» (Улан-удэ, 2011, 2012); I Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы «Наноматериалы, нанотехнологии, наноиндустрия» (Казань, 2010); Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2012, 2013), Международной конференции «Физика высокочастотных разрядов» ЮРИТТ) (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 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 16 таблиц и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, определена цель, намечены задачи для ее достижения, показана научная новизна, практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе представлен обзор публикаций, в которых рассмотрены состав шерстяного сырья, поступающего на отечественные предприятия

ПОШ и его свойства. Приведена характеристика загрязняющих веществ шерстяного сырья, и современные способы их удаления в процессе первичной обработки шерсти.

Представлен обзор электрофизических методов, применяемых для улучшения характеристик кератинсодержащих волокон при их переработке. На основе анализа современных методов модификации шерстяного сырья для получения волокон с прогнозируемыми физико-механическими и технологическими свойствами сформулирована цель и основные задачи диссертационной работы.

Во второй глав