Электрофизическая модификация шерстяного волокна в процессе первичной обработки шерсти

В современных условиях первичной обработки шерсти важным направлением является выпуск продукции высокого качества вследствие механизации и автоматизации трудоемких процессов, применения более производительного оборудования, а также использования современных технологий обработки шерстяного сырья. В связи с этим особую значимость приобретают электрофизические методы обработки шерстяных волокон как наиболее эффективные и экономичные способы улучшения механических и физических свойств шерсти [89]. К ним относится воздействие электрического или оптического излучения, электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, а также плазменной струи [90]. Особенностью электрофизических методов обработки шерстяного волокна является то, что электрическая энергия используется без промежуточного ее преобразования в другие виды энергии непосредственно в рабочей зоне через тепловое, химическое, механическое воздействие [86].

Облучение шерстяного сырья в процессе первичной обработки шерсти СВЧ-энергией способствует усиленному проникновению моющих растворов в глубь волокнистой массы сырья, а также в структуру волокна. Проведенные исследования [91] показывают, что обработка СВЧ-энергией позволяет нейтрализовать микроорганизмы и снять внутреннее напряжение волокна, оптимизировать процесс отделения минеральных и органических примесей.

В работе [92] рассмотрено воздействие плазмы СВЧ-разряда в воздухе, азоте и кислороде на микроструктуру шерстяного волокна. Воздействие СВЧ-разряда в течение 300 с не приводит к изменениям на поверхности волокна, существенные изменения наблюдаются при воздействии в течение 900 с. В процессе воздушно-плазменной обработки происходит образование микротрещин и изменение химического состава на поверхности волокна за счет окисления дисульфидных связей. В случае использования в качестве плазмообразующего газа азота на поверхности кутикулярных клеток наблюдается образование микрократеров, что является результатом окисления на поверхности волокон. Исследование модифицированных волокон в кислородной плазме показывает значительное увеличение диаметра отверстий микрократеров, в результате которого происходит повреждение волокна.

Применение СВЧ-энергии в процессе промывки шерсти способствует отделению минеральных и органических примесей и нейтрализации микроорганизмов. Но данный способ не позволяет эффективно очищать волокна от растительных примесей - в этом его недостаток [93].

Для обработки шерсти предложен способ, при котором волокно обрабатывается специальным раствором. Раствор содержит вещество, включающее TiO2, SiO2, ZnO2, А12О2 и SnO2, которое подвергали воздействию ИК-излучения с ионной модификацией. В зависимости от назначения шерстяного волокна вводилась синтетическая смола. В результате волокно приобретало устойчивость к многократным стиркам и прочность к воздействию солнечных лучей [94].

Как показал анализ работы П. И. Попова, Е. А. Тортева, В. А.

Круженькина, обработка шерстяных волокон ИК-лучами приводит к повышению механических свойств, уменьшению и стабилизации потребительской усадки, сокращению технологического цикла переработки шерсти, в результате чего повышается качество выпускаемой продукции [95].

Среди электрофизических методов модификации шерстяных волокон известна УЗ-обработка. Под действием ультразвука наблюдается снижение поверхностного натяжения, что способствует увеличению моющей способности жидкости вследствие лучшего ее проникновения в поры, и облегчается отрыв преимущественно минеральных и жировых загрязнений с поверхности волокна [96]. При длительном воздействии ультразвука увеличивается потеря массы и снижается стойкость волокна к действию высоких температур. Однако присутствие щелочи способствует увеличению стойкости к термическому разложению шерсти. Анализ дифференциальной сканирующей калориметрии показал, что ультразвуковая обработки шерстяных волокон обеспечивает повышение водопоглощения и не влияет на степень кристалличности волокна. Внедрение УЗ-обработки позволяет снизить энергозатраты процесса на 37,5 %, затраты ПАВ - на 28,3 %, воды - на 73 %, удешевить технологию производства ланолина и обработки шерстяного волокна. Недостатком УЗ-обработки является снижение прочности волокна на 7% [97].

Учеными Ивановского государственного химико-технологического университета предложен метод модификации шерстяных волокон ультразвуком в процессе карбонизации [98]. В процессе карбонизации шерстяное волокно обрабатывают в карбонизационном растворе, который содержит серную кислоту и моющее средство, при одновременном воздействии ультразвука с частотой 20-22 кГц, мощностью 1,0-2,5 кВт в течение 10-15 мин. Затем удаляют избыток карбонизационного раствора, волокна предварительно сушат в течение 15-20 мин, механически удаляют растительные примеси, осуществляют нейтрализацию, промывают водой. На заключительной стадии шерстяные волокна сушат. Кислоту в карбонизационном растворе используют в концентрации 1,5-3,0% от массы волокна.

В результате обеспечивается повышение качества обработанного волокна: повышается прочность - разрывная нагрузка шерстяного волокна составляет 8-8,6 сП/ текс, равномерность обработки (в 1,5-2 раза), что приводит к повышению равномерности окраски (коэффициент цветового различия 1,5-2,0 ед., степень очистки шерсти от растительных засоренностей не ниже 98%), снижается энергоемкость процесса за счет снижения времени предварительной сушки и исключения стадии термообработки. Кроме того, данный метод позволяет экономить химические материалы за счет снижения концентрации серной кислоты в карбонизационном растворе в 2-3 раза и концентрации щелочного агента на стадии нейтрализации в 3-4 раза. Существенным недостатком является то, что при длительном воздействии ультразвука снижается стойкость волокна к действию высоких температур.

А. В. Ермолаева, О. Я. Семешко, Ю. Г. Сарибекова предлагают технологию очистки шерстяного волокна от природных примесей, основывающуюся на использовании электроразрядной нелинейной объемной кавитации (ЭРНОК). На основании полученных экспериментальных данных по применению ЭРНОК для интенсификации процесса удаления жировых загрязнений на шерсти установлено, что значительно сокращается технологический цикл промывки, уменьшается расход воды и химреагентов. В результате промывки шерсти с использованием ЭРНОК частично разрушается поверхность чешуйчатого слоя и откалываются края чешуек, вследствие чего происходит сглаживание поверхности кутикулы, что дополнительно снижает степень свойлачивания, при этом прочность шерстяного волокна уменьшается на 5% [99,100].

Одним из перспективных направлений является применение способа аэроионной обработки шерстяного волокна. В результате исследований установлено, что молекулы кислорода под воздействием ионизирующего электрода в процессе эмиссии электронов становятся химически активными и, достигая поверхности шерстяного волокна, восстанавливают дисульфидные связи кератина и окисляют щелочной пот [69]. Экспериментально показано, что после обработки полутонкой шерсти аэроионами, вне зависимости от толщины обрабатываемого слоя, увеличение мочевинобисульфитной растворимости колеблется от 0,20 до 4,50 % абс. Анализ данных показал, что увеличение прочности шерсти колеблется от 0,28 до 9,86 % отн. Этот метод не нашел достаточно широкого применения, поэтому авторы [101] предлагают применять аэроионную обработку для овец при их стойловом содержании с целью улучшения качества шерсти.

В работе [102] подробно исследовано влияние у-излучения на шерстяное волокно. В исследованиях в качестве источников излучения служили изотопы Со60. В результате облучения у-лучами в шерсти образуются свободнорадикальные центры, окисляются остатки цистина, разрушаются дисульфидные связи, что приводит к изменению аминокислотного состава. Облучение овечьей шерсти 0,1 - 0,3 Мрад способствует устойчивости ее к действию кислот и щелочей, уменьшению истираемости. При этом наблюдается образование дисульфидных, лантиониловых, солевых и водородных связей. Дозы 1 Мрад приводят к глубоким деструктивным процессам кератина: ряд аминокислот (триптофан, серин, метионин) исчезает, количество цистина уменьшается, содержание цистиновой кислоты увеличивается, что способствует образованию свободного аммиака.

Вышерассмотренные методы модификации шерстяного волокна способствуют повышению одних свойств и ухудшению других характеристик. Поэтому их нецелесообразно использовать в процессе первичной обработки шерсти. Как показывают ранее проведенные исследования [103], особое место среди электрофизических методов обработки капиллярно-пористых материалов занимает применение плазмы различных типов разряда - барьерного, тлеющего, коронного. Основными технологическими особенностями плазменных методов модификации шерстяного волокна являются комплексное улучшение механических, физических и физико-химических свойств шерстяных волокон, экономия сырьевых и энергетических ресурсов, повышение уровня автоматизации технологического процесса.

В работе [104] рассмотрено воздействие низкотемпературной плазмы коронного разряда на шерстяное волокно. Бомбардировка потоком плазмы коронного разряда поверхности волокна приводит к образованию трещин и удалению кутикулы на поверхности волокна, что способствует снижению свойлачиваемое™ шерсти. При обработке шерсти в коронном разряде снижается содержание серы и повышается содержание кислорода в поверхностном слое волокна [105]. Характеристики сорбционных свойств шерстяного волокна улучшаются. Например, время влагопоглощения уменьшается с 263 до 10 с после воздействия коронным разрядом. Авторы [106] объясняют сокращение времени впитывания воды приданием поверхноста гидрофильных свойств и формированием микротрещин и повреждений на поверхности модифицированного волокна. Использование плазмохимических процессов позволяет уменьшить расход материалов, сократать энергетаческие затраты, исключить из технологии экологически опасные вещества и процессы [107]. В процессе модификации шерсти в коронном разряде за счет повышения содержания кислорода и снижения содержания серы в поверхностном слое волокна происходит ухудшение прочностных характеристик.

На основании исследований, проведенных ЗАО «НПК ЦНИИ шерсти», выявлено влияние модификации в низкотемпературной плазме тлеющего разряда при периодическом режиме работы на характеристики шерстяного волокна, чистошерстяной ленты, ровницы и гребенной пряжи. В процессе модификации поверхности волокон повышаются прядильная способность шерсти и показатели свойств пряжи и ткани за счет повышения сил сцепления и трения между волокнами [108]. Существенным при воздействии плазмы тлеющего разряда на шерстяное волокно является снижение усадки до 3 - 5 % (вместо 37 % у необработанного волокна) и появление свойств несвойлачиваемости [109].

Исследования авторов [110] показали, что модификация шерстяного волокна в низкотемпературной плазме тлеющего разряда приводит к снижению свойлачиваемости в процессе его переработки при одновременном улучшении основных физико-механических свойств: повышение прочности, смачиваемости, увеличение сорбции химических реагентов. Известно, что обработка шерстяных тканей в низкотемпературной плазме тлеющего разряда повышает износостойкость, улучшает окрашиваемость, снижает свойлачиваемость. Волокна, обработанные в низкотемпературной плазме тлеющего разряда, равномерно окрашиваются, устойчивость к истиранию возрастает на 30%. В работе [111] показано, что скорость и эффективность модификации образцов значительна в рабочей зоне катода в противовес образцам, расположенным в рабочей зоне анода.

Авторами [112-115] установлено, что обработка шерсти в плазме тлеющего разряда приводит к химической модификации и уплотнению структуры волокна, что способствует уменьшению гидрофильности шерсти. В результате воздействия НТП происходят свободнорадикальные процессы, приводящие к деструкции как липидов поверхностной мембраны, так и белков экзокутикулы. Наибольшему разрушению подвергаются липиды поверхностной мембраны, что вызывает изменение поверхностных свойств шерстяного волокна. Снижение содержания липидов за счет деструкции носит предпочтительный характер. На поверхности волокна происходит захлопывание мезопор и образование макропор и трещин. К существенным недостаткам кислородной плазмы относится деструкция ВММ во время обработки вследствие окисления, обусловленного высокой химической активностью кислорода. В результате действия низкотемпературной плазмы тлеющего разряда происходят изменения в поверхностных мембранах кутикулярных клеток, а именно в мембранных белках и в большей части фосфолипидов. В основе изменения поверхностных свойств шерсти, увеличения смачиваемости водой и водными растворами, капиллярности, увеличения проницаемости лежит модификация мембран.

Экспериментальные данные работы [116] по исследованию физико-химических свойств шерстяных волокон, модифицированных в плазме тлеющего разряда, свидетельствуют о протекании деструкции и дезаминирования пептидных связей и аминокислотных остатков. Кроме того, происходит окисление аминокислотных остатков в кислородной плазме, а также образование новых, более устойчивых связей.

В работе [117] по исследованию влияния плазмы тлеющего разряда на шерстяные волокна методами дифференциального термического и термогравиметрического анализа установлено, что происходит воздействие не только на эпикутикулу, но и на более глубокие слои поверхности волокна.

В ОАО «Павловопосадские шали» для придания высокой смачиваемости шерстяному волокну операция хлорирования заменена на плазмохимическую технологию на основе раствора гипохлорита натрия. Внедрение плазменной технологии позволило улучшить экологическую составляющую по утилизации ядовитых стоков, способствовало уменьшению расхода химматериалов и сокращению энергетических затрат [118]. К существенным недостаткам данной технологии относятся изменение химического состава структуры волокна и ухудшение прочностных характеристик за счет частичной деструкции и сшивки макромолекул.

Обработка шерстяных волокон в плазме барьерного разряда проводилась с целью ускорения процесса крашения, увеличения смачиваемости и несминаемости. В работе [119] установлено, что в результате плазменной обработки барьерным разрядом существенно сокращается время крашения, поверхность волокна становится более однородной, за счет чего улучшается несминаемость, увеличивается стойкость к биологическим и атмосферным воздействиям [120]. Недостаток заключается в том, что модификация волокон в барьерном разряде приводит к химическим изменениям на поверхности волокна: происходит окисление С=О- и СО-групп, что способствует изменению химического состава структуры кератина шерсти и снижению прочности волокна [121].

Высокочастотная плазменная обработка при пониженном давлении является эффективным методом модификации натуральных капиллярнопористых материалов. Авторами [120] установлено, что после воздействия плазмы изменяется поперечный размер волокна и микрорельеф поверхности, не ухудшаются его физико-механические характеристики, волокно не нагревается до температуры, вызывающей расплавление или деструкцию.

Выбор плазмообразующего газа оказывает существенное влияние на эффект модификации шерстяного волокна с помощью потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления. В зависимости от длительности и напряжения разряда, состава газа, давления, природы материала возможно изменять следующие показатели свойств: относительную молекулярную массу, микрошероховатость, смачиваемость, дизенфицируемость, устойчивость к усадке, [122-126].

Авторами работы [127] по исследованию воздействия плазмы ВЧЕ-разряда на шерстяное волокно установлено, что после плазменной обработки шерстяные волокна претерпели следующие изменения: уменьшение толщины волокон; увеличение прочности обработанных волокон для всех условий обработки; повышение возможности прядения за счет улучшения упругости и коэффициента трения. Обработка шерстяных волокон в воздушной плазме высокочастотного разряда улучшает накрашиваемость волокон.

К достоинствам данного метода относится объемная физическая модификация высокомолекулярных материалов, т.е. обработке подвергается не только внешняя поверхность материала, но и его внутренняя поверхность. Установлено, что плазменная обработка позволяет регулировать показатели как гидрофильных, так и гидрофобных свойств шерсти в зависимости от режимов плазменной модификации. Данный способ обработки высокомолекулярного материала приводит к незначительной химической модификации кератина шерстяного волокна [128,129]. Результаты исследований, выполненных в последнее время, свидетельствуют о том, что в отличие от других видов электрофизической модификации обработка шерстяного волокна с помощью потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления позволяет производить модификацию объему капиллярно-пористого материала. В результате происходит улучшение одновременно нескольких свойств при неизменности остальных без нарушения химического состава волокна.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >