автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка технологии нетканных материалов для сбора нефтепродуктов с поверхности воды

На правах рукописи

005060779

Матвеев Юрий Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СБОРА НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ.

Специальность 05.19.02 «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з о ш ¿013

005060779

На правах рукописи

Матвеев Юрий Николаевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СБОРА НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ.

Специальность 05.19.02 «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии» на кафедре технологии нетканых материалов.

Научный руководитель: кандидат химических наук, профессор

Горчакова Валентина Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедры технологии трикотажного производства федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии» Кудрявин Лев Александрович

кандидат технических наук, ведущий специалист отдела новых технологий ЗАО «ФПГ Энергоконтракт» Волощик Татьяна Евгеньевна

Ведущая организация: ОАО «Центральный научно-исследовательский

институт пленочных материалов и искусственной кожи»

Защита состоится « ^)Оу> мая 2013г. в а часов на заседании диссертационного совета Д 212.144.06 при Московском государственном университете дизайна и технологии, по адресу: 119071, Москва, Малая Калужская ул., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии».

Автореферат разослан « » &ЛРе^Л^' 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Шустов Юрий Степанович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы состоит в создании высокоэффективных нетканых материалов, способных сорбировать с поверхности воды нефтепродукты и позволяющих добиться минимальных материальных затрат. Внедрение такого рода материалов позволит заменить импортные аналоги и снизить затраты на его производство. Автор защищает:

- структуру и иглопробивную технологию нетканого сорбционного материала (НСМ), используемого для сбора нефтепродуктов с поверхности воды;

- новый модифицирующий препарат, способный придать обрабатываемому нетканому материалу повышенные гидрофобные и олеофильные свойства;

- способ модификации волокон НСМ;

- оптимальные технологические параметры производства НСМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

Данная работа проводилась в Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина на кафедре технологии нетканых материалов.

Целью работы является разработка технологии НСМ из отечественного сырья и вспомогательных материалов с повышенными функциональными свойствами для очистки нефтепродуктов с поверхности воды.

Задачи исследований.

Исходя из поставленной цели, в работе решались следующие задачи:

- изучение проблемы очистки воды от загрязнений нефтепродуктами;

- анализ современного состояния научных исследований в области сорбции нефтепродуктов с поверхности воды;

- обоснование выбора сырья, технологии и оборудования производства нетканых сорбционных материалов для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды;

- изучение влияния промышленных кремнийорганических модификаторов на функциональные свойства материала;

- разработка метода синтеза нового отечественного модификатора, придающего волокнам и НСМ на их основе устойчивые водоотталкивающие и олеофильные свойства (сродство к маслам, жирам);

- изучение механизма взаимодействия модификаторов с полимером ПП волокна;

- разработка технологии НСМ, для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды.

- разработка структуры НСМ и исследование ее влияния на физико-механические и функциональные свойства НСМ;

- оптимизация технологических параметров производства НСМ;

составление нормативно-технической документации технологии производства разработанного НСМ;

- внедрение результатов работы.

Методика проведения исследований.

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических и функциональных свойств волокон и нетканых сорбционных материалов.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- проведены методами регрессионного анализа исследования факторов, влияющих на изменение структурных характеристик, физико-механических и функциональных свойств нетканого материала для сбора нефтепродуктов с поверхности воды;

- получены полиноминальные уравнения зависимостей свойств нетканого материала от параметров производства;

- определено влияние технологических параметров на изменение сорбции, намокаемости, промокаемости, пористости и воздухопроницаемости НСМ;

- разработан метод синтеза нового отечественного кремнийорганического модификатора - олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксана, повышающего функциональные свойства НМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды;

- изучен механизм взаимодействия полученного модификатора с полимером ПП волокна;

- по результатам проведенной работы получен патент РФ № 2431707 от 20.10.2011г. на изобретение «Способ получения нетканых текстильных материалов, обладающих сорбционными и гидрофобными свойствами с помощью олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксанов».

Практическая ценность работы.

- разработанная технология получения НСМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды позволяет освоить промышленный выпуск НМ с сорбцией 36 г/г и намокаемостью 0,01 г/г:

- составлены проекты стандарта организации и технологического регламента на выпуск разработанного НСМ;

- использование разработанного НМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды позволило:

1. Расширить ассортимент НСМ;

2. Снизить себестоимость процесса очистки воды от нефтепродуктов, заменив использующиеся ранее НСМ и импортные модификаторы ПП волокон на более дешевые из отечественного сырья;

3. Продлить срок эксплуатации НСМ за счет повторного их использования после регенерации (до 7 раз).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Молодые ученые -развитию текстильной и легкой промышленности», Всероссийской научно-технической студенческой конференции «Текстиль 21 века», Всероссийской конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» «Текстиль - 2007», Всероссийской конференции «Современные технологии производства нетканых материалов» «Текстиль XXI века», Международной конференции «Современное технологическое оборудование в текстильной промышленности» «Текстиль — 2009», на Межвузовской научно-технической конференций аспирантов и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» «Сорбционные нетканые материалы», г. Иваново: ИГТА, 2006г.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 14 работ в журналах и сборниках, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

По результатам проведенной работы получен патент РФ на изобретение № 2431707 от 20.04.2010г.

Объем и структура работы.

Диссертация изложена в 7 главах с выводами на 169 страницах печатного текста и содержит 31 рисунок, 1 схему, 23 таблицы, приведен список литературы из 107 наименований и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость. Сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе изучены проблемы загрязнения окружающей среды нефтепродуктами и существующие методы ее очистки.

Проведен анализ ассортимента нетканых сорбционных материалов, применяемых для сбора нефтепродуктов. Обусловлена необходимость создания новых высокоэффективных нетканых сорбционных материалов из отечественного сырья.

Установлена необходимость получения нового отечественного модификатора, способного обеспечить волокнам и нетканым сорбционным материалам на их основе повышенные гидрофобные и олеофильные свойства.

Во второй главе изложено методическое обеспечение проведения

экспериментальных исследований.

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических и функциональных свойств волокон и

сорбционных нетканых материалов.

При оптимизации технологических параметров изготовления нетканых сорбционных материалов применялись методы математической статистики, математического планирования и анализа эксперимента.

Исследование поверхности волокон проводилось методами оптической

микроскопии.

В третьей главе представлены требования, предъявляемые к НСМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды: поверхностная плотность НСМ 100 - 400 г/м2; разрывная на грузка, не менее 150 Н по длине и 100 Н по ширине; намокаемость, не более 3 г/г; промокаемость, не менее 240 мин; сорбция нефтепродуктов, не менее 18 г/г.

Проведено обоснование выбора волокнистого сырья, модификаторов, способа производства и структуры нетканого сорбционного материала.

Волокнистым сырьем для разрабатываемого нетканого материала

выбрано полипропиленовое волокно.

В качестве модификаторов волокна, выбраны: эмульсия на основе метилсиликоната натрия (ГКЖ-11), этилгидросилоксан (ГКЖ-94), октилтриэтоксисилан (ОТЭС), винилтриэтоксисилан (ВТЭС), аминосилан (АГМ-9), этилсиликат (ЭТС-40) и новые синтезированные нами из

отечественного сырья препараты.

Для производства НСМ выбрана иглопробивная технология, т.к. она

позволяет получать нетканые материалы различной структуры.

Разрабатываемый НСМ состоит из двух, предварительно скрепленных способом иглопрокалывания холстов, впоследствии сдублированных друг с другом таким образом, чтобы проколы от игл иглопробивной машины были направленны внутрь НСМ (рис. 1). Характерной особенностью структуры такого материала являются направленные внутрь полотна конусообразные поры, образованные в процессе иглопрокалывания, способствующие проникновению и удержанию нефтепродуктов внутри НСМ.

Рис. 1. Способ получения структуры разрабатываемого НСМ.

В четвертой главе разработан метод синтеза новых отечественных модифицирующих препаратов - олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилок-сана (I) и олиго(октил)этоксисилоксана (II), придающих волокнам и НСМ на их основе повышенные гидрофобные и олеофильные свойства, способствующие увеличению сорбции нефтепродуктов, времени промокаемости и снижению намокаемости материала.

Разработан простой и технологичный способ модификации поверхности ПП волокон синтезированными модификаторами.

Изучен механизм взаимодействия новых синтезированных нами модификаторов и ПП волокна. Химические связи между синтезированными модификаторами и волокном образуются за счет адсорбированной волокном влаги, по схеме, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Взаимодействие синтезированных модификаторов с волокном

где 11=(СН2)зЫН2, п=4 (I); ОС2Н5, п=6 (II)

Так же в процессе модификации волокна формируется внутримолекулярная сетка связей за счет сил притяжения между полярными группами волокна и модификатора.

Методом оптической микроскопии исследована поверхность исходного и модифицированного волокна.

Из микрофотографий рис. 3(а, б) видно, что структура поверхности волокна меняется после его обработки кремнийорганическими модификаторами.

а) б)

Рис. 3 Микрофотография исходного (а) и модифицированного (б) полипропиленового волокна (увел. 500)

Модификатор заполняет естественные пустоты на поверхности волокна, с образованием тончайшей пленки, которая изменяя краевой угол смачивания, усиливает гидрофобные свойства волокон и увеличивает смачиваемость нефтепродуктами, вследствие чего улучшаются и значения сорбции, намокаемости и промокаемости НСМ.

В пятой главе исследовано влияние технологических параметров выработки, структуры, природы и содержания модификатора на волокне, линейной плотности волокон на функциональные свойства нетканых материалов.

Изучено влияние параметров иглопрокалывания холста на структурные характеристики, физико-механические и функциональные свойства НСМ. Установлено, что изменяя параметры иглопрокалывания, можно получить нетканый материал с различной капиллярностью и формой капилляров, увеличивая тем самым заполняемость НСМ нефтепродуктами и, как следствие, сорбционную способность материала.

Разработана структура НСМ. Полотно состоит из двух холстов поверхностной плотностью 150 г/м2, предварительно проколотых при глубине прокалывания 9 мм и количестве проколов 50 см"2. Слои сложены изнаночными сторонами друг к другу. Окончательное прокалывание осуществляли при следующих параметрах: количество проколов 100 см"2, глубина прокалывания 9 мм.

Исследовано влияние кремнийорганических модификаторов на физико-механические и функциональные свойства материала.

Установлено, что на свойства НСМ влияет природа и содержание модификатора на волокне.

В результате исследования было показано, что применение промышленных модификаторов улучшает гидрофобные свойства материала,

но не обеспечивает в полной мере требования, предъявляемые к НСМ для сбора нефтепродуктов 'с поверхности воды, в то время как синтезированные нами модификаторы значительно улучшают функциональные свойства материала и обеспечивают выполнение предъявляемых требований (табл. 1).

Таблица 1

Влияние природы модис шкатора на функциональные свойства НСМ.

Модификатор Сорбция, г/г Намокаемость, г/г Промокаемость, мин.

Не модифицированный 18,30 13,06 0,02

ГКЖ-94 18,32 7,52 0,50

ГКЖ-11 16,56 6,03 18,00

ВТЭС 16,21 11,12 0,30

ОТЭС 20,83 3,53 1440 и более

олиго(3 -аминопропил)-(октил)этоксисилоксан (I) 31,76 0,01 1440 и более

олиго(октил)этоксисилоксан (II) 25,45 0,40 1440 и более

В процессе изучения влияния нового, синтезированного модификатора на функциональные свойства НСМ установлено, что разработанный нами модификатор олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксан способствует увеличению угла смачивания НСМ от 80° до 120° (рис. 4), вследствие чего повышаются гидрофобные и олеофильные свойства материала и, соответственно, улучшаются значения сорбции, намокаемости и промокаемости.

а) б)

Рис.4. Взаимодействие капли жидкости с поверхностью нетканого материала из волокон модифицированных олиго(3-аминопропил)(октил)-этоксисилоксаном (а) и немодфицированных волокон (б)

Установлено оптимальное количество модификатора на волокне для разрабатываемого НСМ (1%, масс.), при котором сорбция нетканого материала увеличивается с 18,3 г/г до 32,67 г/г, намокаемость материла снижается до 0,01 г/г и материал не промокает более чем 24 часа.

Исследовано влияние структуры волокнистого холста из модифицированных волокон на физико-механические и функциональные свойства НСМ. Показано, что изменение структуры материала оказывает влияние на его капиллярные свойства, и как следствие на сорбционную способность НСМ (таблица 2). Таким образом за счет изменения структуры НСМ удалось повысить значение сорбции с 32,67 до 36 г/г.

Таблица 2

Влияние структуры на капиллярные свойства НСМ.

Структурные особенности нетканого материала Наименьший радиус капилляра, Гтіп'Ю"6, М Наибольший радиус капилляра, Гтах'Ю"6, М Косинус угла смачивания нефтепродукт ами, соэв Сорбция, г/г

1. Лицевая сторона к лицевой стороне 0,386 1,259 0,087 26,42

2. Лицевая сторона к изнаночной стороне 0,233 0,557 0,378 24,70

3. Изнаночная сторона к изнаночной стороне 0,193 0,441 0,453 36,00

4. Однослойный иглопробивной материал 0,299 0,836 0,368 32,67

5. На лицевую сторону не скрепленный холст 0,292 0,985 0,179 28,87

6. На изнаночную сторону не скрепленный холст 0,341 1,047 0,123 33,70

В качестве оптимальной структуры НСМ для сбора нефтепродуктов выбрана структура из двух, предварительно скрепленных способом иглопрокалывания холстов, впоследствии сдублированных друг с другом таким образом, чтобы проколы от игл иглопробивной машины были направленны внутрь НСМ (рис. 1).

В шестой главе сформулированы оптимальные условия получения НСМ для сбора нефтепродуктов:

волокно полипропиленовое, длиной резки 60 мм, линейной плотностью 0,33 текс;

обработка волокон модификатором олиго(З-аминопропил)-(октил)этоксисилоксаном, в количестве 1% масс;

поверхностная плотность готового материала 300 г/м2. Полотно состоит из двух предварительно проколотых слоев поверхностной плотностью 150 г/м2 (количество проколов 50 см"2, глубина прокалывания 9 мм), расположенных изнаночными сторонами друг к другу;

параметры окончательного иглопрокалывания: глубина прокалывания 9 мм; количество проколов 100 см"2.

При оптимальных технологических параметрах выработан НСМ и оценены его физико-механические и функциональные свойства (табл. 3).

Таблица 3

Физико-механические и функциональные свойства разработанного нетканого сорбционного материала для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

Наименование показателей, единицы измерения Требования предъявляемые нетканому сорбционному материалу Свойства разработанного нетканого материала Метод испытаний

1. Ширина, см 160±4 160±4 ГОСТ 381172

2. Поверхностная плотность, г/м2 100-400 300±10 ГОСТ 381172

3. Разрывная нагрузка, Н, не менее по длине по ширине 150 100 280 263 ГОСТ 15902.3-79

4. Намокаемость, г/г, не более 3 0,01 Методика ОАО «НИИНМ»

5. Промокаемость, мин., не менее 240 1440 Методика ОАО «НИИНМ»

6. Сорбция нефтепродуктов, г/г, не менее (по отработанному машинному маслу) 18 36 Методика ОАО «НИИНМ»

7. Воздухопроницаемость, дм3/м2с - 550 ГОСТ 12088-77

Разработан план и схема технологических переходов для производства новых высокоэффективных нетканых сорбционных материалов для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

По своим физико-механическим и функциональным свойствам разработанный НСМ удовлетворяет требованиям, предъявляемым к НСМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

Доказана эффективность использования разработанных НСМ. В результате проведенных исследований сорбция материала увеличилась в 2 раза, намокаемость с 13 г/г была снижена до 0,01 г/г, время промокаемости материала было увеличено до 24 часов. Срок службы НСМ увеличен, за счет регенерации методом отжима и повторного его использования.

В седьмой главе произведен расчет экономического эффекта от внедрения разработанного НСМ.

Установлено, что затраты на сырье для двухслойного иглопробивного материала для сбора нефтепродуктов на 5% выше по сравнению с затратами на сырье для обычного двухслойного иглопробивного материала. Так как функциональные свойства нетканого материала, полученного из волокон, модифицированных новым олигомером, значительно выше, это может быть отражено в цене реализации продукции.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана новая технология нетканых материалов для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

2. Научно обоснован выбор сырья, модификатора, технологии производства и структуры нетканого сорбционного материала.

3. Разработан метод синтеза и впервые синтезированы новые, эффективные, дешевые, из отечественного сырья кремнийорганические модификаторы -олигоэтоксисилоксановые производные аминосилана и этилсиликата с октилтриэтоксисиланом для придания волокну гидрофобных и олеофильных свойств.

4. Разработан эффективный способ модификации волокон и нетканого материала для сбора нефтепродуктов.

5. Изучен механизм взаимодействия кремнийорганических модификаторов с полипропиленовым волокном.

6. Определены оптимальные технологические параметры получения двухслойного иглопробивного нетканого материала для сбора нефтепродуктов из модифицированных волокон:

• Поверхностная плотность готового полотна - 300 г/м2 (из двух

предварительно скрепленных холстов поверхностной плотностью 150 г/м )

• Параметры предварительного иглопрокалывания - глубина прокалывания 9 мм, количество проколов 50 см"2

• Параметры окончательного иглопрокалывания - глубина прокалывания 9 мм, количество проколов 100 см"2

• Модификатор волокон - олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксан;

• Содержание модификатора на волокне, % масс. - 1; Получен нетканый материал со следующими свойствами:

• Разрывная нагрузка, Н, по длине - 280;

по ширине - 260;

• Воздухопроницаемость, дм3/м2с - 550;

• Сорбция нефтепродуктов, г/г - 36;

• Намокаемость, г/г - 0,01;

• Промокаемость, ч - 24;

7. Разработана техническая документация на НСМ.

8. Разработана модель и программа для расчета на ЭВМ себестоимости 1000м сорбционного нетканого двухслойного иглопробивного материала, позволяющая установить влияние обработки нетканого материала кремнийорганическим модификатором на издержки производства. Установлено, что затраты на сырье для двухслойного иглопробивного материала для сбора нефтепродуктов на 5% выше по сравнению с затратами на сырье для обычного двухслойного иглопробивного материала. Так как функциональные свойства нетканого материала, полученного из полипропиленовых волокон, модифицированных новым олигомером олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксаном, значительно выше, это может быть отражено в цене реализации продукции.

9. Получен патент РФ № 2431707 «Способ получения нетканых текстильных материалов, обладающих сорбционными и гидрофобными свойствами с помощью олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксанов» от 20.04.2010г.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// «Химические волокна», 2007, с. 44 - 47

2. В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов, Ю.Н. Матвеев. Нетканые текстильные материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», №2с, 2009, с. 58 - 61

Статьи и тезисы докладов:

1. В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка технологии сорбционных нетканых материалов для улавливания нефтепродуктов.// Тезисы докладов IV Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века», 2005, с. 17

2. В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка технологии нетканых фильтровальных материалов с повышенными сорбционными свойствами для улавливания нефтепродуктов. // Тезисы докладов. Всероссийская конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» «Текстиль - 2006», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2006, с. 96

3. В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев, Ю.Р. Хропова. Сорбционные нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы докладов. Всероссийская конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» «Текстиль - 2007», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, ноябрь 2007, с. 67 - 68

4. Ю.Н. Матвеев, Л. Казыкина. Сорбционные нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы докладов. Всероссийская конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» «Текстиль - 2008», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2008, с. 71 - 72

5. В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка нетканых материалов для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы докладов.

Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК-2СЮ9).г. Иваново, ИГТА, 2009, с. 47

6. В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев, Т.Е. Тимофеева, С.С. Урусова. Нетканые материалы для улавливания нефтепродуктов из сточных вод. // Тезисы докладов. Всероссийская конференция Современные технологии производства нетканых материалов «Текстиль XXI века», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2009, с. 63

7. В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Нетканые текстильные материалы для сбора нефтепродуктов с поверхности воды. // Сборник научных трудов аспирантов, вып.15, 2009, с. 29 - 33

8. В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка нетканых материалов для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы докладов. Международная конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» «Текстиль — 2009», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, ноябрь 2009, с. 100 - 101

9. В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов, Ю.Н. Матвеев. Нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы докладов. III Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (ТЕХТЕКСТИЛЬ-2010), г. Димитровград, ДИТУД, 2009, с. 78

10. В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов, Ю.Н. Матвеев, В.И. Корягин, В.А. Аниськова, Т.А. Курочкина. Способ получения нетканых текстильных материалов, обладающих сорбционными и гидрофобными свойствами с помощью олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксанов. Патент на изобретение № 2010115580 от 20.04.10

11. Ю.Н. Матвеев, Т.А. Курочкина, С.С. Урусова. Нетканые текстильные материалы для сбора нефтепродуктов с поверхности воды. // Актуальные проблемы проектирования и технологии нетканых материалов. Сборник научных трудов, М., МГТУ, 2010, с. 73 - 76

12. В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев, С.С. Урусова. Нетканые материалы для сбора нефтепродуктов с поверхности воды. // Тезисы докладов. Международная конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» «Текстиль - 2010», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2010, с. 35 - 36

Подписано в печать 11.04.13 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ № 29 Т Тираж 80

ФГБОУ ВПО «МГУДТ» 117997, Москва, ул. Садовническая, 33, стр.1

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИЙ»

04201356601

На правах рукописи

МАТВЕЕВ ЮРИИ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СБОРА НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

Специальность 05.19.02. - Технология и первичная обработка

текстильных материалов и сырья

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Кандидат химических наук Профессор

Горчакова Валентина Михайловна

МОСКВА 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................5

Глава 1. Нетканые материалы для сбора

нефтепродуктов...........................................................................13

1.1. Источники загрязнений нефтепродуктами....................................13

1.2. Существующие нетканые материалы для сбора нефтепродуктов.......19

1.3. Пропитывание и поднятие жидкости в капиллярах волокнистых систем.................................................................................22

1.4. Использование кремнийорганических соединений для гидрофобизации волокнистых материалов...................................29

1.5. Механизм гидрофобизации.......................................................31

Выводы по главе 1.........................................................................35

Глава 2. Методика проведения работ................................................36

2.1. Определение свойств волокон...................................................36

2.1.1. Отбор проб и определение линейной плотности волокон.........36

2.1.2. Свойства волокон...........................................................36

2.2. Определение свойств модификаторов..........................................36

2.2.1. Снятие ИК-спектров полимеров.........................................36

2.3. Определение свойств нетканых полотен......................................36

2.3.1. Подготовка проб............................................................36

2.3.2. Физико-механические свойства нетканого полотна.................36

2.4. Методика оценки эксплуатационных свойств нетканых материалов.. .37

2.4.1. Методика определения капиллярности нетканых материалов....37

2.4.2. Методика определения пористости нетканых материалов.........37

2.4.3. Методика определения краевого угла смачивания...................39

2.4.4. Методика определения сорбции нетканых материалов по нефтепродуктам............................................................................41

2.4.5. Методика оценки плавучести сорбентов..............................42

2.5. Методика математического планирования и анализа эксперимента.. ..44

2.6. Методика статической обработки экспериментальных данных..........44

Выводы по главе 2.........................................................................50

Глава 3. Обоснование выбора волокнистого сырья, кремнийорганического модификатора, способа производства и структуры нетканого материала.....................................................51

3.1. Обоснование выбора волокнистого сырья....................................51

3.2. Обоснование выбора кремнийорганического модификатора.............52

3.3. Выбор структуры сорбционно-фильтровального материала..............59

3.4. Выбор способа производства нетканых сорбционных материалов......62

Выводы по главе 3.........................................................................64

Глава 4. Синтез кремнийорганических модификаторов......................66

4.1. Синтез и исследование свойств новых кремнийорганических соединений..................................................................................66

4.2. Процесс взаимодействия синтезированных модификаторов с

волокном.....................................................................................70

Выводы по главе 4.........................................................................72

Глава 5. Влияние технологических параметров выработки, природы и содержания кремнийорганического модификатора, структуры на физико-механические и функциональные свойства нетканых материалов..................................................................................73

5.1. Влияние технологических параметров выработки на физико-механические и функциональные свойства нетканых материалов..............73

5.2. Влияние кремнийорганических модификаторов на физико-механические и функциональные свойства нетканых материалов..............81

5.2.1. Исследование влияния промышленных модификаторов на свойства нетканых материалов.....................................................................82

5.2.2. Исследование влияния синтезированных модификаторов на свойства нетканых материалов.....................................................................89

5.3. Влияние структуры волокнистого холста на функциональные свойства

нетканых материалов.....................................................................93

Выводы по главе 5........................................................................100

Глава 6. Оптимальные условия получения нетканых сорбционных материалов для сбора нефтепродуктов...........................................102

6.1. Оптимальные условия получения НСМ для сбора нефтепродуктов.....103

6.2. Технологический план производства НСМ для сбора нефтепродуктов. 105

Выводы по главе 6........................................................................107

Глава 7. Технико-экономическая эффективность работы.................109

7.1. Анализ характера изменения технико-экономических показателей

при внедрении кремнийорганического модификатора...........................109

7.2. Разработка рекомендаций по расчету сравнительной себестоимости 1000 м2 нетканого материала...........................................................113

7.3. Расчет стоимости сырья и основных материалов в себестоимости 1000 м

нетканого материала.....................................................................114

Выводы по главе 7........................................................................119

Общие выводы по работе.............................................................120

Список используемой литературы.................................................122

Приложения

Введение

Вопросы охраны окружающей среды в настоящее время приобрели важное социально-экономическое значение. Негативное влияние на экологическую обстановку оказывают загрязнения нефтепродуктами.

Основными причинами загрязнений нефтепродуктами являются: аварии и катастрофы при транспортировке нефти водными (морскими, речными) путями; аварии на магистральных и промысловых трубопроводах; аварии и катастрофы при транспортировке нефти и нефтепродуктов железнодорожным транспортом; утечки в процессах перекачки и перевозки нефти; утечки в процессах сливо-наливных операций; утечки и сбросы стоков нефтебазами, нефтеперерабатывающими и нефтехимическими заводами, расположенными вблизи от водных объектов; слив неочищенных балластных вод с танкеров.

В зависимости от срока попадания в водный объект нефть в нем может находиться в трех состояниях: в растворенном, эмульгированном и плавающем в виде пленки.

Нефть, попадая в водный объект, активно участвует в различных обменных процессах, основными из которых являются следующие: распространение; испарение; растворение; эмульсификация; солеокисление; микробиологическое разложение; оседание; повторное всплытие на поверхность воды.

В основе многих действующих технологий сбора разливов нефтепродуктов и нефтяных загрязнений и удаления их из окружающей среды лежит метод адсорбции. Для его реализации применяется целый ряд природных сорбентов в порошковой форме или в виде гранул. Однако при их применении возникает ряд проблем, связанных с техническими трудностями при сборе отработанного сорбента с очищенной поверхности, его регенерации и утилизации. Кроме того, они сами часто становятся дополнительным источником загрязнения окружающей среды.

Применение нетканых сорбентов в технологиях ликвидации загрязнений нефтепродуктами позволяет осуществить сбор и возврат нефтепродуктов для дальнейшего их использования по прямому назначению и создания замкнутой ресурсосберегающей системы защиты за счет регенерации.

Таким образом, данная диссертационная работа направлена на разработку технологии производства нетканых сорбционных материалов, с повышенными функциональными свойствами, для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

Автор защищает:

- структуру и иглопробивную технологию нетканого сорбционного материала (НСМ), используемого для сбора нефтепродуктов с поверхности воды;

- новый модифицирующий препарат, способный придать обрабатываемому нетканому материалу повышенные гидрофобные и олеофильные свойства;

- способ модификации волокон НСМ;

- оптимальные технологические параметры производства НСМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.

Данная работа проводилась в Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина на кафедре технологии нетканых материалов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы состоит в создании высокоэффективных нетканых материалов, способных сорбировать с поверхности воды нефтепродукты и позволяющих добиться минимальных материальных затрат. Внедрение такого рода материалов позволит заменить импортные аналоги и снизить затраты на его производство.

Целью работы является разработка технологии НСМ из отечественного сырья и вспомогательных материалов, с повышенными функциональными свойствами, для очистки нефтепродуктов с поверхности воды.

Задачи исследований.

Исходя из поставленной цели, в работе решались следующие задачи:

- изучение проблемы очистки воды от загрязнений нефтепродуктами;

- анализ современного состояния научных исследований в области сорбции нефтепродуктов с поверхности воды;

- обоснование выбора сырья, технологии и оборудования производства нетканых сорбционных материалов для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды;

- изучение влияния промышленных кремнийорганических модификаторов на функциональные свойства материала;

- разработка метода синтеза нового отечественного модификатора, придающего волокнам и НСМ на их основе устойчивые водоотталкивающие и олеофильные свойства (сродство к маслам, жирам);

- изучение механизма взаимодействия модификаторов с полимером 1111 волокна;

- разработка технологии НСМ, для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды:

- разработка структуры НСМ и исследование ее влияния на физико-механические и функциональные свойства НСМ;

- оптимизация технологических параметров производства НСМ;

составление нормативно-технической документации технологии производства разработанного НСМ;

- внедрение результатов работы.

Методика проведения исследований.

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических и функциональных свойств волокон и нетканых сорбционных материалов.

Для определения оптимальных технологических параметров изготовления НСМ использовался метод математического планирования и оптимизации.

Оценка модификации поверхности волокон проводилась методом микроскопии.

Для оценки физико-химических свойств модификаторов использовались методы ИК-спектрометрии.

Науная новизна работы заключается в том, что впервые:

- проведено методами регрессионного анализа исследования факторов, влияющих на изменение структурных характеристик, физико-механических и функциональных свойств нетканого материала для сбора нефтепродуктов с поверхности воды;

- получены полиноминальные уравнения зависимостей свойств нетканого материала от параметров производства;

- определено влияние технологических параметров на изменение сорбции, намокаемости, промокаемости, пористости и воздухопроницаемости НСМ;

- разработан метод синтеза нового отечественного кремнийорганического модификатора - олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксана, повышающего функциональные свойства НМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды;

- изучен механизм взаимодействия полученного модификатора с полимером ПП волокна;

- по результатам проведенной работы получен патент РФ № 2431707 от 20.10.2011г. на изобретение «Способ получения нетканых текстильных материалов, обладающих сорбционными и гидрофобными свойствами с помощью олиго(3-аминопропил)(октил)этоксисилоксанов».

Практическая ценность работы.

- разработанная технология получения НСМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды позволяет освоить промышленный выпуск НМ с сорбцией 36 г/г и намокаемостью 0,01 г/г:

- составлен проект нормативно-технической документации на выпуск разработанного НСМ;

- использование разработанного НМ для сбора нефтепродуктов с поверхности воды позволило:

1. Расширить ассортимент НСМ;

2. Снизить себестоимость процесса очистки воды от нефтепродуктов, заменив использующиеся ранее НСМ и импортные модификаторы ПП волокон на более дешевые из отечественного сырья;

3. Продлить срок эксплуатации НСМ за счет повторного их использования после регенерации (до 7 раз).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2006) «Разработка фильтровального полотна для очистки сточных вод от нефтепродуктов», 2006 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

• Всероссийской научно-технической студенческой конференции «Текстиль 21 века» «Разработка технологии нетканых материалов для очистки воды от нефтепродуктов», 2006 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

« Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» «Сорбционные нетканые материалы», 2006 г., г. Иваново, ИГТА.

• Всероссийская конференция «Современное технологическое оборудование в текстильной промышленности» «Текстиль - 2007», «Сорбционные нетканые материалы», 2007 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

• Всероссийская конференция «Современные технологии производства нетканых материалов» «Текстиль XXI века», «Нетканые материалы для улавливания нефтепродуктов из сточных вод», 2009 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

• Международная конференция "Современное технологическое оборудование в текстильной промышленности" «Текстиль - 2009», «Разработка нетканых материалов для очистки сточных вод от нефтепродуктов», 2009 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

По результатам исследований были сделаны следующие

публикации:

• В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка технологии сорбционных нетканых материалов для улавливания нефтепродуктов.// Тезисы докладов IV Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века», 2005, с. 17

• В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка технологии нетканых фильтровальных материалов с повышенными сорбционными свойствами для улавливания нефтепродуктов.// Тезисы докладов. Всероссийская конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" «Текстиль - 2006», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2006, с. 96

• В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// «Химические волокна», 2007, с. 44 - 47

• В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев, Ю.Р. Хропова. Сорбционные нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы

докладов. Всероссийская конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" «Текстиль - 2007», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, ноябрь 2007, с. 67 - 68

Ю.Н. Матвеев, Л. Казыкина. Сорбционные нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы докладов. Всероссийская конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" «Текстиль - 2008», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2008, с. 71 - 72

В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов, Ю.Н. Матвеев. Нетканые текстильные материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», №2с, 2009, с. 58 - 61 В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка нетканых материалов для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// Тезисы докладов. Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК-2009).г. Иваново, ИГТА, 2009, с. 47

В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев, Т.Е. Тимофеева, С.С. Урусова. Нетканые материалы для улавливания нефтепродуктов из сточных вод.// Тезисы докладов. Всероссийская конференция Современные технологии производства нетканых материалов «Текстиль XXI века», М.: МГТУ им.

A.Н. Косыгина, 2009, с. 63

B.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Нетканые текстильные материалы для сбора нефтепродуктов с поверхности воды.// Сборник научных трудов аспирантов, вып. 15, 2009, с. 29 - 33

В.М. Горчакова, Ю.Н. Матвеев. Разработка нетканых материалов для очистки сточных вод от нефтепродуктов. // Тезисы докладов. Международная конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" «Текстиль - 2009», М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, ноябрь 2009, с. 100 - 101

В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов, Ю.Н. Матвеев. Нетканые материалы для очистки сточных вод от нефтепродуктов.// Тезисы докладов. III Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (ТЕХТЕКСТИЛЬ-2010), г. Димитровград, ДИТУД, 2009, с. 78

В.М. Горчакова, Б.А. Измайлов, Ю.Н. Матвеев, В.И. Корягин, В.А. Аниськова, Т.А. Курочкина. Способ получения нетканых текстильных материалов, обладающих сорбционными и гидрофобными свойствами с помощью олиго(3-аминопро-пил)(октил)этоксисилоксанов. Патент на изобретение № 2010115580 от 20.04.10

Ю.Н. Матвеев, Т.А. Курочкина, С.С. Урусова. Нетканые текстильные мате�