автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка технологии пряжи с адгезионным скреплением волокон для фильтров

На правах рукописи

003456332

БАРАНОВА ЕЛЕНА ВАСИЛЬЕВНА

Ч

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРЯЖИ С АДГЕЗИОННЫМ СКРЕПЛЕНИЕМ ВОЛОКОН ДЛЯ ФИЛЬТРОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г#

Москва - 2008

003456332

Работа выполнена в Государственном образовательном учрежденйи высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Капитанов Анатолий Федорович

Официальные оппоненты : 1 ■

доктор технических наук, профессор Юхин Сергей Семенович

кандидат технических наук Конюхова Светлана Васильевна

Ведущая организация Государственное образовательное

.! учреждение высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет»

Защита диссертации состоится « » QWCCwl'ViX. 2008 года в /Ужасов на заседании диссертационного совета Д 212.139.02 при Государственном образовательном учреждении высщего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина» по адресу: 119071, Москва, Малая Калужская ул., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

Автореферат разослан « ób(?y> 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Шустов Юрий Степанович

t

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Загрязнения воды, ведущие к негативным медицинским, санитарно - гигиеническим, социальным и технологическим последствиям, требуют существенных экономических затрат. Наиболее распространенными являются твердые загрязнения, которые удаляются как на стадий первичной обработки воды, так и при доочистке'ее с помощью бытовых фильтров.

Быстрое развитие получают фильтры, в которых в качестве фильтрующего слоя используется пряжа большой линейной плотности, однако ряд задач, связанных с фильтрами этого вида, требуют, решений. В частности, отсутствует технология, обеспечивающая надежное закрепление волокон в пряже, что ведет к их вымыванию и попаданию в отфильтрованную воду, при этом нарушается * структура фильтрующего элемента и• ухудшаются его эксплуатационные свойства. Для закрепления волокон в: пряже для фильтров целесообразно использовать явление адгезии волокон. '

Наличие острой потребности в качественных фильтрах для водь; и отсутствие эффективной технологии получения соответствующей пряжи для фильтров, делает постановку данной работы актуальной.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является обоснование технологии пряжи с адгезионным скреплением волокон.

г Достижение этой цели связано срешением следующих задач: обоснованием технологии пряжи большой линейной плотности; разработкой установки для получения пряжи с адгезионным-'скреплением волокон, оптимизацией режима ее работа; оценкой1 эффективности фильтрования; при использовании пряжи, различных технологий; разработкой методов оценки эффективности фильтрования и учетом неровноты пряжи по толщине и крутке.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, базируется на использовании современных методов математической статистики и теорий вероятности, планирования эксперимента, теории случайных функций, теории фильтрации, теории прядения. Экспериментальные результаты основаны' на Использовании оптической и цифровой микроскопии, Методах стандартных и нестандартных'и спыта- w ний волокон и пряжи.

Обработка экспериментальных данных и построение функциональных зависимостей осуществлялось с помощью программ Microsoft Excel, MathCAD и программ, разработанных на кафедре технологии шерсти ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина». Для обработки графических изображений использовалось программное обеспечение анализа изображений Paint. ■: ■ /' - Л .:■-..' ■> -

Научная новизна работы заключается в следующем;' - получены аналитические завйсимбсти'характеристик'свойств' пряжи от температурного режима процесса ее термофиксации;

*

- предложена концепция экспериментально ^ расчетного метода для определения зазоров между волокнами со случайными конфигурациями;

- впервые учтен статистический характер.размеров зазоров;и загрязнений, что позволяет оценить результаты фильтрации с позиций теории вероятности;

- получены распределения размеров частиц загрязнений по слоям фильтрующего слоя из пряжи различных технологий;

- разработаны теоретические принципы методов оценки тонкости и полноты фильтрования.

Практическая значимость работы заключается в следующем; г

- обоснована технология получения пряжи с адгезионным скреплением волог

- разработана экспериментальная установка для пряжи с адгезионным скреплением волокон, снабженным узлом градиентной термообработки, которая может служить прототипом лабораторного образца;

- обоснован технологический режим работы экспериментальной установки;

- разработан метод прогнозирования тонкости и полноты фильтрования*

Апробация работы

Основные результаты научных исследований докладывались и получили положительную оценку на: .

1. Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ-2005)», ГОУВПО ШГТУим. А.Н.,Косыгина». ,, .

2. Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в: текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (ДНИ НАУКИ-2005), Санкт-Петербург.

3. Международной научно-технической конференции «Современные технологии и,оборудование5.текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ-2006)»; ГОУВПО «МГТУ им. А.'Н. Косыгина»."

4. Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007, Москва, ВВЦ. V

5. Научных семинарах кафедры технологии шерсти государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина», 2008 г.

Публикации 1

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и 4 приложений. Работа, выполнена на 127 страницах машинописного, текста,^ содержит 32 рисунка, таблиц 66, список литературы содержит 65 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, изложены цели и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе обоснована цель и конкретные задачи исследования на основе анализа научно - технической информации по изучаемой проблеме.

Путем анализа литературных источников было установлено, что в настоящее время изучены "и описаны физико-химические свойства воды; виды загрязнений воды и их негативное воздействие на организм человека; характеристики загрязнений и конструкции фильтров, разработана общая теория фильтрации, в которой учитываются ламинарное или турбулентное течение жидкости, характеризующая пористой структурой материала фильтрующего слоя. Объектом анализа являлось используемое сырье и материалы для фильтров, а также известные технологии прядения для выработки пряжи большой линейной плотности. Рассмотрены вопросы адгезии и аутогезии, на которых основайо скрепление волокон в пряже, а также соответствующие технологии. Приведены характеристики фильтров для очистки воды от различных примесей.

Из полученных результатов следует:

- Пряжа для фильтров изготавливается по полугребенной системе прядения, включающая рыхление, эмульсирование, смешивание, чесание, многократное сложение и вытягивание, и прядение, а также по технологии «Dre/».

- Наиболее распространенными волокнами для изготовления пряжи для фильтров является полипропиленовые и лавсановые.

- Известны методы оценки эффективности очистки воды фильтрами главным элементом, которых является фильтрующий элемент.

- В качестве характеристик фильтров приняты: тонкость, полнота фильтрации, пропускная способность и ресурс до замены.

- Лучшие образцы фильтров характеризуются тонкостью фильтрации от 2 до 12 мкм и полнотой фильтрации в 70 %.

- Разработанная теория фильтрации является общей теорией, в которой приняты допущения о форме и размерах пор, при определенных допущениях теория применима к волокнистым фильтрам.

Однако известные данные не содержат информации:

- О наличии способов закрепления волокон и предотвращение их вымывания в процессе эксплуатации.

- В качестве такой технологии для скрепления волокон в пряже целесообразно использовать технологию, основанную на адгезионном скреплении волокон, что позволяет создать более устойчивую структуру фильтрующего слоя.

- Разработка этой технологии требует создание соответствующей установки, в качестве прототипа которой целесообразно использовать известную установку для получения пряжи с адгезионным скреплением волокон при условии ее модернизации.

- Для управления режимом термофиксацни и обоснования ее оптимального нарианта необходимо получение соответствующих математических моделей.

- Для экспериментальной оценки эффективности очистки воды фильтрами с использованием пряжи различных технологий необходимо создание соответствующей экспериментальной установки.

- Отсутствуют данные о распределении твердых загрязнении по их размерам внутри фильтрующего слоя.

- Вероятностный характер взаимодействия частиц с материалом фильтрующего слоя в работах не изучен.

- Пет данных о роли неровноты пряжи по линейной плотности и кру тки на функциональные структурные характеристики пряжи для фильтров.

Результаты анализа позволяют выделить следующие задачи исследования:

- цбоснование технологии пряжи для фильтров (сырье, режим до термофиксации, создание экспериментальной установки и режима ее работы);

- сравнительный анализ результатов фильтрования при использовании пряжи различных технологий;

- разработка математических моделей для создания расчетно - экспериментальных методов оценки результатов фильтрации.

Во второй главе поставлена цель обоснования выбора сырья и технологического режима пряжи большой линейно!] плотности (до термофиксации): разработки экспериментальной установки для термофиксации, обоснование оптимального режима этого процесса.

В качест ве .««йог)«« для получения пряжи использовались: методы проектирования технологии прядения, проектирования оборудования, планирования эксперимента, текстильного материаловедения.

Получены следующие результаты:

- В результате анализа волокнистого сырья, используемого для получения фильтрующих материалов и свойств волокон для выработки соответствующей пряжи, предложена следующая смесь: лавсановое термопластичное волокно линейной плотности 0,44 текс, длиной резки 50,5 мм (60%) и полипропиленовое волокно линейной плотности 0,33 текс, длиной резки 75 мм (40%). Полученная пряжа имела линейную плотность 290 текс, крутку - 80 кр/м.

- Анализ технических результатов выявил возможность получения пряжи (до термофиксации) с использованием следующих технологических процессов и машин (табл. 1), ближайшими аналогами которых является процессы и машины полукребенной системы прядения.

- Для термофиксации пряжи в учебно-исследовательской лаборатории кафедры технологии шерсти ГОУВПО «МГГУ имени А.Н. Косыгина» разработана экспериментальная установка (рис. I).

Установка состоит из следующих узлов: I -- пи тания; II - узел торможения; III - узел термофиксацни; IV - узел намотки.

Таблица 1

Линейная Линейная

Наименование перехода Марка машины плотность входящего продукта, ктекс Число сложений Вытяжка плотность выходящего продукта, ктекс

Чесание ЧБВ - - _• 60,6 ,

Ленточная

машина ЛМШ-220-1Т 60,6 1 4 15,15

1 перехода

Ленточная

машина ЛМШ-220-1Т 15,15 4 '4 15,15

2 перехода

Ленточная •

машина ЛМШ-220-1Т 15,15 4 6 10,1

3 перехода

Ленточная

машина ЛМШ-220-1Т 10,1 3 6 5,1

4 перехода

Ленточная

машина ЛМШ -220 - 1Т 5,1 2 4 2,55

5 перехода

Ровничная машина Р- 192-5 ИГ 2,55 1 8,8 . 0,29

♦Примечание: Технология выработки пряжи предусматривала рыхление и_расщипы-вание (на лабораторном оборудовании), эмульсирование (5% - м водным раствором ОС-20 е количестве 2% от массы волокон), смешивание (вручную).

Экспериментальная установка работает следующим образом: нить 1 сматываясь с паковки 2, через нитенаправитель 3 поступает в тормозящие валы 4 5. Затем пряжа подвергается обработке в термокамере 16, в которую подает« горячий воздух от источника 9 через распределитель 8 и пневмопроводы 7, необходимая температура обеспечивается в термокамере 16 при помощи клапаноЕ 15. Направляющие ролики 6, 11, 12 обеспечивают соосность пряжи в термокамере. Намотка пряжи осуществляется по принципу контактного действия мотального барабанчика 14 и бобины 13. Вращение мотального барабанчика сообщается посредством ременной передачи от двигателя. Необходимая температура в термокамере контролируется с помощью термометра 10.

- Получены регрессионные зависимости абсолютной разрывной нагрузки относительного удлинения, модуля при растяжении, капиллярности и диаметр;

пряжи от температур ^.....нагретого воздуха в различных зонах термокаме

ры (на входах пневмопроводов в термокамеру) при скорости пряжи 16 м/мин:

Ут<'.'1 торможения

\ II' : /Г(с':" К!|!11!1

Рис. 1 - Технологическая схема экспериментальной установки

Техническая характеристика экспериментальной установки для получения пряжи с адгезионным скреплением волокон Скорость выпуска, м/мнн

Температура нагрева на входе распределителя, "С Длина трубы термокамеры, мм Длина трубы распределителя, мм Длина пневмопровода, мм

Внутренний диаметр трубы распределителя, мм Внутренний диаметр трубы термокамеры, мм Внутренний диаметр пневмопровода, мм Количество пневмопроводов, шт. Количество клапанов, шт. Угол поворота клапана, град Габариты, мм

- длина .- ширина

- высота Характеристики электрического тока

6-50 50 - 660 1010 1010 50 32 50 16 5 5

О - 40

2200

450

500

220В, 5()Гц

- для абсолютной разрывной нагрузки, К Ра Г = -2113,85 + 126,24;, -106,76/, +114,79/, -'),991,1, +0,49/;-,

- для относительного удлинения,0/) Е = 74.23-0,425/, -0,39/, -0,17/5 -0,001/,/, ч 0,0021,' +0,0021? +0,001/;

' (

Факторы

Абсолютная разрывная нагрузка, КПа

Относительное удлинение, % .

Модуль при растяжении, МРа

Н

сть

капиллярность мм

Диаметр, мм | =

Из этих результатов следует:

- для получения пряжи для фильтров целесообразно использовать технологию, представленную классическими процессами и на заключительном этапе - термофиксацией пряжи;

- увеличение (по сравнению с пряжей до термофиксации) абсолютной разрывной нагрузки на 78 %, относительного разрывного удлинения на 15,5 %, капиллярности на 71,6 %, результаты визуализации склеек указывают на создание стабильной структуры пряжи с аутогезионным скреплением волокон;

- предложенная смесь с использованием полипропиленовых и лавсановых волокон может быть рекомендована для выработки пряжи для фильтров;

- технология обеспечивает скрепление волокон аутогезионным способом, что должно предотвращать вымывание волокон обеспечивать сохранение исходной структуры;

- разработанная экспериментальная установка может служить аналогом для создания ее лабораторного варианта;

- полученные уравнения регрессии целесообразно использовать для управления процессом по соответствующим критериям.

В третьей главе поставлена цель оценки эффективности очистки воды фильтрами с использованием пряжи различных технологий, анализа размеров и массы чайтиц до после фильтрации, а также изменение размеров частиц по слоям фильтрующего элемента.

В работе использован метод оценки эффективности фильтрации на созданной установке и цифровая микроскопия.

Получены следующие результаты:

- Разработана установка для оценки тонкости и полноты фильтрации по известным аналогам, позволяющая использовать в фильтрах пряжу, выработанную по различным технологиям. 1

- Получены статистические характеристики размеров частиц до и после фильтрации (табл. 3).

Таблица 3

Характеристика Частицы до фильтрации Частицы после фильтрации при использовании пряжи

технология <</>е/~» без термофиксации с термофиксацией

Среднее, мкм 75,10 12,83 12,97 10,63

Ошибка среднего, % 3,20 1,99 2,25 1,88

Модальная, мкм 55,4 13,5 13,7 7

Интервал варьирования, мкм 20-161,5 , 8-26,4 6-21,3 6- 16,4

Среднее квадратиче-ское отклонение, мкм 34,86 3,71 4,22 2,90

11родолжеиие таблицы

Дисперсия, мкм 1215,56 13,74 17,83 8,43

! Коэффициент парна-1 щи, % 46,42 28,8 Н 32,57 27,3 1

- 11олучены фотографии частиц (рис. 3).

- Полнота фильтрации составляет: фильтрующего элемента из пряжи, полученной но технологии «/>е/» 90,6%, пряжи, полученной по технологии МГТУ (без термофиксацин) 97,6%, пряжи, полученной по технологии МГТУ (с термофиксацией) 98,6%.

- Изменение средних размеров частиц по слоям фильтрующего 'элемента (рис. 4).

Рис. 3 - Внешний вид частиц (а- до фильтрования; б - отфильтрованных через пряжу, полученную по технологии «Оге/>>\ в - отфильтрованных через пряжу без термофиксацйи; г - отфильтрованных через пряжу с термофиксацией)

Рис. 4 — Изменение средних размеров частиц по слоям фильтрующего слоя (1 - пряжа, полученная по технологии «Dre/», 2 - по технологии'МГТУ (без термофиксации), 3 - по технологии МГТУ (с термофиксацией))

Из этих результатов следует:

- разработанные установка и методика обеспечивают анализ по тонкости и полноте фильтрации через фильтруемый слой пряжи, намотанной на перфорированный патрон;

- визуальная и количественная оценка размеров частиц свидетельствует, что лучшими фильтрующими свойствами обладает пряжа с аутогезионным скреплением волокон;

- распределение размеров частиц по слоям фильтрующего слоя подтверждает эффективность новой технологии пряжи для фильтров.

В четвертой главе поставлена цель теоретического обоснования методов прогнозирования характеристик фильтрования и оценки величины нестабильности характеристик пряжи на ее структуру.

Использованные методы, теория вероятности и математическая статистика, теория случайных функций, микроскопия.

Получены следующие результаты:

- Разработана гипотетическая структура пряжи для фильтров, учитывающая случайность размеров зазоров между волокнами, образующих ее. Зазоры между двумя ближайшими волокнами пряжи иллюстрируются рис. 5.

Рис. 5 - Зазоры между парой волокон 1,2 (Д\, Д2.... ДО, А - пряжа.

- Расчетно-экспериментальными методами (в том числе с использованием рограмм Config.mairi) получено распределение зазоров А в пряже для фильтров кспериментальным путем - распределение минимальных размеров dt твердыу астиц. Взаимное получение этих распределений представлено на рис. 6.

Рис. 6 - Распределение зазоров между волокнами и минимальными размерами частиц

Вероятность того, что частица с размером с13. окажется в отфильтрованной идкости

iWmin

Ау=Аmax

ЩУ

д,=4

(6)

гдеР(с/()- вероятность частицы с минимальным размером с/,; Р(Д,)- вероятность зазора между волокнами размером Aj. Доля частиц, задерживаемая фильтрующим слоем

Р,(*„Д7) = 1-/>(«/„ДД (7)

- Получено аналитическое выражение для определения полноты фильтрования

2„, Л,

(8)

ме = —Г"2, -3 <*™,

Л/=Л„

д,=</.

где Л, - средний радиус частиц Полнота фильтрации '

(9)

м,

мг

(10)

- Разработана аналитическая зависимость для расчета диаметра условных

пор

¿/____

д

кр

поры

-¿Ц

П

(И)

В результате расчетов установлено, что тонкость фильтрации для пряжи с адгезионньш скреплениЬм волокон составляет 25,64 мкм, а полнота фильтрации 98,6%.

- Разработана аналитическая зависимость для определения средних величин зазоров между волокнами, меняющихся' под действием нестабильных вдоль пряжи линейной плотности Т и крутки К

лТ.

-1

(12)

где А - постоянная А = КР? (К - крутка, Ц - диаметр пряжи на I -ом участке пряжи).

Из этих результатов следует:

- полученные аналитические зависимости могут служить теоретической базой для разработки методов оценки тонкости, полноты фильтрования, а также

оценки по величине зазоров между волокнами из-за нестабильных вдоль пряжи величин крутки и линейной плотности;

- полученные; зависимости учитывают вероятностный характер частиц и зазоров между волокнами, что позволяет более полно учитывать реальные условия фильтрования. .. ■ . ■ - • •. •

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Разработанная технология обеспечивает получение пряжи для бытовью водных фильтровх улучшенными свойствами. Пряжа, полученная по этой тех-' нологии, содержит склейки. между волокнами и характеризуется повышенной' на 78, % абсолютной разрывной нагрузки, относительным удлинением на 15,5 % и капиллярности на 71,6 % по сравнению с пряжей без термофиксации.

2. Проведенные сравнительные исследования фильтрующей способности пряжи; выработанной по различным технологиям, подтверждает эффективность пряжи, выработанной по новой технологии: полнота фильтрации "повышается до 8,8 % и тонкость фильтрации до 26,69 %.

3. Рекомендуется получение пряжи линейной плотности Т = 290 текс и круткой К= 80 кр/м из смеси следующего состава: полипропиленовое волокно - 40%, лавсановое термопластичное волокно - 60% по технологии полугребенного прядения с Последующей ;термофиксацией пряжи при дифференцированном (в зависимости, от предпочтительности критерия) режиме термофиксации.

4. Разработанная экспериментальная установка' обеспечивает получение пряжи с адгезионным скреплением волокон при скорости 16 м/мин, натяжении 5 % от абсолютной разрывной нагрузки, плотности намотай (64 условных единиц) на перфорированный патрон и при возможной установке температурного режима в пределах 80-150 °С индивидуально на каждом пневмопроводе.

5. Полученные аналитические зависимости позволяют управлять свойствами пряжи (абсолютной разрывной: нагрузкой, относительным Удлинением, модулем при растяжении, капиллярностью и диаметром) путем установки соответствующих температурных режимов и оптимизировать процесс по указанным параметрам. ■ '

6. Установленные распределения размеров фильтруемых частйц по слоям намотки пряжи различных технологий на патрон, подтверждают 'улучшение свойств фильтрующего слоя из пряжи с аутогезионным скреплением волокон.

7. Разработанные математические модели могут являться основанием для прогнозирования тонкости и полноты фильтрации, а также оценки нестабильности величин зазоров между волокнами в пряже из-за их случайной конфигурации, нестабильности линейной плотности и крутки вдоль пряжи. „

8. Выполненная работа является базой для проектирования технологии А пряжи с улучшенными функциональными свойствами, используемой в бытовых водных фильтрах и проектирования установки для'термофиксации пряжи, обеспечивающей стабильность волокнистой структуры фильтрующих элементов. '.'.-<. ' '

Основное содержание диссертации изложено в печатных работах:

1. Капитанов А.ф-j.Мельникова Е.С., Баранова Е.В. Оптимизация процесса получения нряжи с адгезионным скреплением волокон. Всероссийская научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2005)». Тезисы докладов, МГТУ имени А. Н. Косыгина, с. 12-13.- " . \

2. Мельникова Е.С., Баранова Е.В., Лайков А.П., Капитанов А.Ф. Свойства пряжи с адгезионным . скреплением волокон. Всероссийская научно-техническая , конференция, - студентов; и аспирантов :■ «Проблемы экономики и прогрессивные технологии ;в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности». (Дни .науки - ; 2005), Тезисы докладов; С.-Петербург, СПГУТД, с. 92-93. •..•.. . ■

. 3. Кобраков К.И., Капитанов А.Ф., Баранова В.В., Паиилин II.M. Патент на полезную,модель РФ №:61293,Устройство для термофиксации пряжи. ПриОритет от 19.10.2006 Г. • ••--.• И

4. Капитанов А.Ф., Мельникова Е.С., Баранова Е:В.,' Лайков А.П. Исследование, процесса получения пряжи с адгезионным скреплением волокон. // «ВестнцкгДЙУД»,№ 2 (28), 2005гДимитровград, с. 14-17. — *

, 5. МельниковагЕ.С-, Баранова Е.В., Лайков А.П., Капитанов А!Ф. Технология и сврйствадолокнистых продуктов,с. альтернативными способами скрепления, .волокон. Сборник .научныхт ¡трудов,<. выполненных; по итогам конкурса грантов молодых исследователей; (Ш^НТ:г;2005:),МГТУ имени А/Н. Косыгина, С. 8-14. ,1Г .■ К>г: ^ ■

6. Капитанов А.Ф., Мельникова Е.С,, Баранова Е.В., Лайков А.П. Технология бескруточной, ворсовой пряжи с адгезионным укреплением волокон. // Текстильная промышленность, № 7,2006, с. 17-19.

7. Мельникова Е,С., ¡Баранова Е.В., Лайков А.П., Капитанов А.Ф. Технология пряжи с адгезионным скреплением волокон. Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМг2007. (Сборник статей), Москва, ВВЦ, 26 - 29.июня 2007 г. . , » ^ ^ , ■ = : ■ ;

8. Баранова Е.В., Капитанов А.Ф., Доржийн Э., Батбаяр Д.* Оптимизация процесса градиентной термофиксации пряжи длягводных; фильтров. -// Химическая промышленность, - 2008, №2, с, 47-50 ■ ' . «' ; ■ :

Подписано впечать 18.il,08 Формат бумаги 60x84/16 . Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ 383 Тираж 80 • ГОУВПО «М1ТУ им. А.Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

Введение.

Глава 1. Анализ литературы по исследуемой проблеме.

1.1. Сырье для волокнистых фильтрующих материалов.

1.1.1. Физико-химические свойства воды.

1.1.2. Загрязнения воды.

1.1.3. Сырье для фильтрующих материалов.

1.2. Материалы для фильтрующих элементов и технологии для их изготовления.

1.2.1. Материалы и технологии.

1.2.2. Технологии пряжи для фильтров.

1.3. Адгезия и аутогезия.

1.4. Технологии пряжи с адгезионным скреплением волокон.

1.5. Принцип фильтрования жидкости.

1.6. Основные положения теории фильтрования.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка технологии пряжи с аутогезионным скреплением волокон.

2.1. Свойства используемых волокон.

2.2. Технология получения пряжи для фильтров (без термофиксации)

2.3. Экспериментальная установка для термофиксации пряжи.

2.3.1. Устройство и порядок работы на экспериментальной установке.

2.3.2. Устройство и работа модернизированного узла термофиксации пряжи.

2.4. Оптимизация технологического режима обработки пряжи с аутогезионным скреплением волокон.

2.4.1. Уровни, критерии, план эксперимента.

2.4.2. Результаты обработки данных эксперимента и оптимизация процесса.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Оценка эффективности пряжи с адгезионным скреплением волокон для водных фильтров.

3.1. Метод оценки эффективности фильтрации.

3.1.1. Концепция метода оц енки.

3.1.2. Экспериментальная установка.

3.1.3. Применяемые методы.

3.2. Исследование размеров и массы частиц до и после фильтрации.

3.2.1. Исследование размеров частиц до фильтрования.

3.2.2. Исследование размеров и массы частиц после фильтрования.

3.3. Изменение размеров твердых частиц по слоям фильтрующего элемента.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Теоретическое обоснование методов оценки эффективности тонкости и полноты фильтрования.

4.1. Гипотеза о механизме фильтрации твердых частиц загрязнений через волокнистый фильтрующий слой.

4.2. Зазор как расстояние между двумя волокнами в фильтрующем слое.

4.3. Распределение минимальных размеров твердых загрязняющих частиц в фильтруемой жидкости.

4.4. Математическая база методов оценки тонкости и полноты фильтрования.

4.5. Методика и пример расчета тонкости фильтрации.

4.6. Влияние толщины и крутки пряжи на среднюю величину зазора между волокнами.

4.7. Расчет размеров условных пор.

Выводы по главе 4.

Вода относится к числу жизненно важных объектов для окружающего мира, в том числе человека. Вода используется в сельском хозяйстве, промышленном производстве и в быту [1]. Из различных видов используемой воды можно выделить питьевую как важнейшую, запасы которой в мире ограничены.

В течение длительного времени обращалось недостаточное внимание на изменение экологии в целом и, в частности, на качество воды. Результатом этого явилось повышенная заболеваемость населения, необходимость дополнительных затрат в области здравоохранения и очистки воды от вредных примесей. В таблице 1 приведены данные о последствиях использования питьевой воды с загрязнениями [2].

Таблица 1 — Влияние органических и неорганических веществ, бактерий и вирусов на организм человека (при попадании из питьевой воды)

Название вещества, бактерии или вируса Органы и системы, на которые данное вещество, бактерия или вирус отрицательно влияют

Неорганические вещества

Бериллий Желудочно-кишечный тракт

Кадмий Почки

Медь Почки, печень (при длительном воздействии)

Мышьяк Кожа, кровеносная система; канцерогенен

Нитраты и нитриты Смертельно опасны для младенцев

Ртуть Почки

Свинец Почки, у детей - замедленное развитие продолжение таблицы 1

Селен Система кровообращения

Таллий Желудочно-кишечный тракт, кровь, почки,печень

Цианид Нервная система, щитовидная железа

Органические вещества

Бензол Канцерогенен

Бензапирен Канцерогенен

Пестициды (алахлор, гептахлор, ДДТ и некоторые другие) Канцерогенны

Соединения хлора (винилхлорид, дихлорэтан и т.д.) Система кровообращения, почки, печень, некоторые соединения канцерогенны

Соединения хлора с фенолом Печень, почки, канцерогенны

Толуол Нервная система, почки, печень

Бактерии и вирусы

Колиформы (бактерии группы кишечных палочек) Желудочно-кишечный тракт

Энтеровирусы , Желудочно-кишечный тракт

Вирус гепатита Печень

В настоящее время питьевая вода проходит, как правило, две стадии очистки: первая стадия — после извлечения из источников (артезианских скважин, озер, рек и т.д.); вторая стадия - доочистка воды непосредственно перед ее использованием. Доочистка воды осуществляется путем фильтрования - прохождения воды через фильтрующий слой. В качестве фильтрующего слоя используются разнообразные материалы и технологии.

Как следует из таблицы 1, загрязнения, содержащие в питьевой воде, отличаются большим многообразием. Это могут быть твердые загрязнения, бактерии, органические примеси и др.

Как правило, фильтры имеют индивидуальное назначение для очистки одного, реже нескольких видов загрязнений. В связи с этим применяются комплексные (многоступенчатые) фильтры. В зависимости от качества воды подбирается соответствующий фильтр. В качестве первой ступени очистки питьевой воды применяется фильтр для очистки от твердых загрязнений. Именно эта категория фильтров является предметом данного исследования. Фильтрующий элемент таких фильтров во многих случаях выполнен из волокнистого материала.

Проведенный анализ показал, что волокнистые фильтры для очистки от твердых загрязнений обладают существенным недостатком - волокно в фильтрующих перегородках не скреплены между собой в жесткую конструкцию, что ведет:

- к изменению характеристик пористости фильтров в процессе эксплуатации за счет изменения взаимного положения волокон;

- к вымыванию волокон, что приводит к нарушению структуры фильтрующего элемента и к загрязнению очищаемой воды волокнами.

Для создания более устойчивой структуры фильтрующего элемента необходимо скрепление волокон между собой. Одним из способов скрепления является адгезия, частным случаем которой является аутогезия [2]. Для получения пряжи с аутогезионным скреплением необходима разработка соответствующей технологии, которая в настоящее время отсутствует. В связи с вышеуказанным тема диссертационной работы актуальна и имеет практическую значимость.

Цель данного исследования — разработка технологии пряжи с аутогезионным скреплением волокон.

Эта цель достигается путем использования известных и новых средств реализации такой технологии и обоснования соответствующего технологического режима.

Фильтрующие перегородки из пряжи большой линейной плотности, полученные с использованием аутогезии, в настоящее время не изучены. В связи с этим необходимо изучить качество фильтрации воды через фильтры из пряжи с аутогезионным скреплением волокон, что потребовало создания соответствующей установки, оценки размеров твердых частиц, исследование формы и размеров частиц по слоям намотки при использовании пряжи разных технологий.

По фильтрам, изготовленных из волокнистых материалов, практически отсутствует информация о связи структурных характеристиках фильтрующего элемента с показателями качества очистки — тонкости и полноты фильтрации. Поэтому одна из задач исследования — разработка теоретических основ метода оценки тонкости, полноты фильтрации и фундаментальных характеристик пряжи с аутогезионным скреплением волокон для фильтров.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Разработанная технология обеспечивает получение пряжи для бытовых водных фильтров с улучшенными свойствами. Пряжа, полученная по этой технологии, содержит склейки между волокнами и характеризуется повышенной на 78 % абсолютной разрывной нагрузки, относительным удлинением на 15,5 % и капиллярности на 71,6 % по сравнению с пряжей без термофиксации.

2. Проведенные сравнительные исследования фильтрующей способности пряжи, выработанной по различным технологиям, подтверждает эффективность пряжи, выработанной по новой технологии: полнота фильтрации повышается до 8,8 % и тонкость фильтрации до 26,69 %.

3. Рекомендуется получение пряжи линейной плотности Т = 290 текс и круткой К = 80 кр/м из смеси следующего состава: полипропиленовое волокно - 40%, лавсановое термопластичное волокно — 60% по технологии полугребенного прядения с последующей термофиксацией пряжи при дифференцированном (в зависимости от предпочтительности критерия) режиме термофиксации.

4. Разработанная экспериментальная установка обеспечивает получение пряжи с адгезионным скреплением волокон при скорости 16 м/мин, натяжении 5 % от абсолютной разрывной нагрузки, плотности намотки (64 условных единиц) на перфорированный патрон и при возможной установке температурного режима в пределах 80 - 150 °С индивидуально на каждом пневмопроводе.

5. Полученные аналитические зависимости позволяют управлять свойствами пряжи (абсолютной разрывной нагрузкой, относительным удлинением, модулем при растяжении, капиллярностью и диаметром) путем установки соответствующих температурных режимов и оптимизировать процесс по указанным параметрам.

6. Установленные распределения размеров фильтруемых частиц по слоям намотки пряжи различных технологий на патрон, подтверждают улучшение свойств фильтрующего слоя из пряжи с аутогезионным скреплением волокон.

7. Разработанные математические модели могут являться основанием для прогнозирования тонкости и полноты фильтрации, а также оценки нестабильности величин зазоров между волокнами в пряже из-за их случайной конфигурации, нестабильности линейной плотности и крутки вдоль пряжи.

8. Выполненная работа является базой для проектирования технологии пряжи с улучшенными функциональными свойствами, используемой в бытовых водных фильтрах и проектирования установки для термофиксации пряжи, обеспечивающей стабильность волокнистой структуры фильтрующих элементов (приложение 3,4).

1.Сафаров М.Г. Самое большое богатство на свете // Химия и жизнь.-2002, №4, с. 27 - 29

2. ГОСТ 17.1.3.03 77. Правила выбора и оценка качества источников центрального хозяйственно - питьевого водоснабжения.

3. Справочник по триботехнике. Теоретические основы. Т 1.М.: 1989-397 с.

4. Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. М.: Высшая школа, 1979-341 с.

5. Стожаров А.Н. Медицинская экология. Минск: Вышэйшая школа, 2007-368 с.

6. Миклашевский Н.В. Чистая вода. Система очистки и бытовые фильтры. С. П. Изд. «Арлит», 2000 - 240 с.

7. СанПиН 2.1.4.1074 01. Санитарно - эпидемиологические правила и нормативы. Введены в действие с 1 января 2002 года

8. Рабинович Б.Е. Новые методы контроля качества питьевой воды // Экология и промышленность России.// июнь 2005, с. 14-15

9. ГОСТ 18963 73. Вода питьевая. Методы санитарно - бактериологического анализа. Госстандарт СССР. - 1984

10. ГОСТ 3351 74. Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности.

11. Белов C.B., Ложкин В.А., Приходько И.Г. Регенерация фильтров тонкой очистки. М.: 1983 36 с.

12. Андросов В.Ф., Кенов В.В., Роскме Е.С. Текстильные фильтры. М.: Легкая индустрия, 1977 168 с.

13. Аюкаев Р.И. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Справочное пособие. Л.: Стройиздат., 1985 120 с.

14. Федоров A.A., Ларионов А.Н., Ушаков В.А. Пористые фильтрующие материалы. М.: НИИТЭХИМ, 1984 62 с.

15. Скобеев И.К. Фильтрующие материалы. М.: Недра, 1978 — 200 с.

16. E. Hardman. Textiles in filtration. P 316 357 in Book: Handbook of Technical Textiles. Ed. By A.R. Horrocks and S.C. Anand. Cambridge, Woodhead. Publ.

17. Феличенкова Л. Технические фильтровальные материалы // Директор // №12, 2006

18. Гусаков А.В., Перепелкин К.Е. Полиэфирные фильтровальные ткани и их свойства // Химические волокна // №1, 2008

19. Ершова Е.С. Разработка оптической структуры мотальной паковки замкнутой намотки для фильтров. М.: ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2008- 179 с.

20. Nemesi et al. Mu ltilayer precision wound filter cartridge: U.S. Patent Document 4,660, 779-28/ 1987

21. Toon J.J. Tow wound filter cartridge: U.S. Patent Document 6,328,887 -11/2001

22. Ogato et al. Filter cartridge: U.S. Patent Document 7,014,050 21/2006

23. Omar et al Wound polypropylene yarn filter cartridge and mehhodfor making same: U.S. Patent Document 6,942,106 B1 13/2005

24. HebdaM., Wachal A. Trybologia. WNT, Warszawa, 1980

25. Parks J.M.: Recristallisation Welding. The Welding Hourn. Vol. 32, 1953, № 5

26. Семенов А.П. Схватывание металлов. M.: Машгиз., 1958. 223 с.

27. Капитанов А.Ф. Фрикционные процессы в прядении. Ч 1. Прядение и трибология. М.: РИО МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2005. 293 с.

28. Баталенкова В.А. Разработка технологии нетканых материалов способом термоскрепления волокнистых холстов из модернизированных волокон: Дисс. к.т.н. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004. - 152с.

29. Вакула В.Л., Притыкин Л.М. Физическая химия адгезии полимеров. М.: «Химия», 1984-224 с.

30. Морозова А.Г., Кротова Н.А. Исследование характера адгезионной связи при склеивании двух высокомолекулярных соединений. // Коллоидный журнал//, 1958, №1 с. 59-68

31. Пиковский Г.И., Сальманс С.И. Прядение льна. М.: Легкая индустрия, 1968.-451 с.

32. Протасова В.А., Белышев Б.Е., Капитанов А.Ф. Прядение шерсти и химических волокон. М.: Легпромбытиздат., 1988. 332 с.

33. Мельникова Е.С. Разработка технологии пряжи с адгезионным скреплением волокон. Дисс. к.т.н. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007. - 165 с.

34. Способ получения пряжи. Патент на изобретение № 2266989 Авторы: Капитанов А.Ф., Горчакова В.М., Цыганова Е.С., Баталенкова В.А. Приоритет от 27.07.2004.

35. Мельникова Е.С., Баранова Е.В., Лайков А.П., Капитанов А.Ф. Технология пряжи с адгезионным скреплением волокон. Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007 (Сборник статей), М.: ВВЦ, 2007.-300 с.

36. Фокус М.А. Тонкая фильтрация газов и жидкостей волокнистыми материалами // Химическая промышленность // № 11, 1979, с. 48 51

37. Ахманов М. Вода, которую мы пьем. М.: Изд. «Эксмо», 2006. 190с.

38. ТУ 3697 001 - 75658846, М.: 2006

39. ТУ 3697-031 -32989981, М.: 2000

40. Щелкачев В.Н., Лапук Б.Б. Подземная гидравлика. М.: Гостопиздат., 1949 -326 с

41. Кленов В.Б. Фильтрация жидкости через слой деформированного текстильного материала. М.: «Легкая индустрия», 1972 86 с.

42. Жужиков В.А. Теория и практика разделения суспензий, фильтрование. М.: «Химия», 1971 -440 с.

43. Lord Е. Air flow through plugs of textile fibers. J. of the textile Institute, 1965 v. 191 p. 46-56

44. Александров C.A., Кленов В.Б., Райзер Ю.Р. Исследование гидравлических свойств бобин как радиального фильтра.// Технология текстильной промышленности //, 1965, № 5, с. 105 110

45. Шигапов И.И. Разработка и исследование процесса формирования структур намоток пористых перегородок трубчатых текстильных фильтров. Дисс. к.т.н. -М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2005. 177 с.

46. Характеристика химических волокон. Справочник. — М. Центральный институт научно - технической информации. - 1966, 323 с.

47. ГОСТ 13231 77 Волокно лавсановое

48. Гусев В.Е., Усенко В.А. Прядение химического штапельного волокна. М.: Легкая индустрия, 1964. 594 с.

49. Нормы технологического режима производства шерстяной пряжи: Гребенное прядение. Утвер. мин ом легкой промышленности СССР 15.07.82. М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1983.- 165 с.

50. Протасова В.А., Панин П.М., Хутарев Д.Д. Шерстопрядильное оборудование. М. - «Легкая индустрия». - 1980, 576 с.

51. Капитанов А.Ф., Мельникова Е.С., Баранова Е.В., Лайков А.П. Исследование процесса получения пряжи с адгезионным скреплением волокон. // «Вестник ДИТУД», № 2 (28), 2005, Димитровград, с. 14-17.

52. Устройство для термофиксации пряжи. Патент на полезную модель РФ № 61293, авторы: Кобраков К.И., Капитанов А.Ф., Баранова Е.В., Папилин Н.М. Приоритет от 19.10.2006

53. Баранова Е.В., Капитанов А.Ф., Доржийн Э., Батбаяр Д. Оптимизация процесса градиентной термофиксации пряжи для водных фильтров. Химическая промышленность. - 2008, №2, с. 47-50

54. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента. М.: Легкая индустрия», 1974. 263 с.

55. Паспорт на цифровой микроскоп завода изготовителя, 2007

56. Кобляков А.И. Лабораторный практикум по текстильному материаловедению. М.: «Легпромбытиздат», 1986 343 с.

57. Свешников A.A. Прикладные методы теории случайных процессов. М.: Наука, 1968.-463 с.

58. Богачева С.Ю. Проектирование прочности гребенной шерстяной пряжи. Дисс. к.т.н. — М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004. 166 с.

59. Виноградов Ю.С. Математическая статистика и ее применение к исследованиями в текстильной промышленности. М. Легкая индустрия 1964, 320 с.

60. Капитанов А.Ф. Лабораторный практикум. Фрикционные процессы в прядении. М. РИО МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2000. 22 с.

61. Капитанов А.Ф., Федорова Н.Е., Зубарева Н.И., Медведев Е.О. Фрикционные процессы в прядении. Лабораторный практикум (электронная версия). М. РИО МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2008. 55с.

62. Капитанов А.Ф. Фрикционные процессы в прядении. Ч. 2. Силовой анализ. М.: 2006-298 с.

63. Афанасьев В.К., Лежебрух Г.О., Рашкован И.Г и др. Справочник по шерстопрядению. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983 488 с.

64. Интервалы, мкм Частота Доля, %10.26,7 8 26,626,8-43,5 10 33,343,6-60,3 2 6,7060,4-77,1 2 6,7077,2-93,9 2 6,7094,0-110,7 6 20,0