РАЗРАБОТКА КОЛЛОИДНОЙ КОМПОЗИЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЁ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ

АННОТАЦИЯ

Во всем мире день за днем растет спрос на улучшение качества текстильных волокон и изделий на их основе. В связи с этим, модифицирование натуральных шерстяных волокон с коллоидной композицией, создание состава коллоидной композиции и способы их получения для улучшения технологических и структурных показателей волокон, разработка эффективной технологии получения высококачественных шерстяных тканей так важны в глобальном масштабе. В данном исследовании были изучены вязкости водных растворов полиэтиленгликоля в зависимости от значения массовой доли компонента в коллоидной композиции, а также концентрации компонентов, из которых видно, что при увеличении концентрации увеличивается вязкость, это уменшает расход модификатора. Изучены зависимости краевого угла смачивания исходных и модифицированных волокон. Улучшение смачивания приводит к эффективному модифицированию. Исследованы поверхностные натяжения растворов в зависимости от концентрации кератина и полиэтиленгликоля, а также изучены значения энергии когезии и адгезии растворов коллоидных композиций от их концентрации.

ABSTRACT

All over the world, the demand for improving the quality of textile fibers and products based on them is growing day by day. In this regard, modifying natural wool fibers with a colloidal composition, creating the composition of the colloidal composition and methods for their preparation to improve the technological and structural characteristics of the fibers, and developing an effective technology for producing high-quality woolen fabrics is important.

In this study, the viscosity of aqueous solutions of polyethylene glycol was studied depending on the mass fraction of the component in the colloidal composition, on the concentration of the components, and their components show that with increasing concentration the viscosity increases, this reduces the consumption of the modifier. The dependences of the contact angle of the original and modified fibers have been studied; improved wetting leads to effective modification. The surface tensions of solutions depending on the concentration of keratin and polyethylene glycol were studied, and the values of the energy of cohesion and adhesion of solutions of colloidal compositions depending on their concentration were also studied.

Ключевые слова: коллоидная композиция, кератин, полиэтиленгликоль, адгезия, когезия, вязкость, краевой угл смачивания.

Keywords: colloidal composition, keratin, polyethylene glycol, adhesion, cohesion, viscosity, contact angle.

Введение. Главным направлением на сегодняшний день современной химической технологии и нанотехнологий являются исследования, направленные на расширение возможностей переработки белково-сохраняющего сырья животного происхождения с целью обеспечения экологической чистоты производства путем создания безотходных и малоотходных технологий с максимальным вовлечением побочных продуктов переработки в основном производстве [1].

Источником шерстяных композитов могут служить кератиновые отходы от переработки продуктов мясокомбинатов, кожевенного производства, птицеводства и других производств. К кератиновым отходам относят когти, волосы, перья, копыта, рога и другие кератинсодержащие соединения. Главным компонентом упомянутых отходов является трудноусвояемый белок кератин. После специальной обработки (гидролиза), кератин становится более доступным для организма и носит название гидрокератин [18].

Известно, что в процессах переработки белковых волокон происходит образование свободных радикалов, разрушения пептидных связей и снижение молекулярной массы кератина. В результате этого ухудшаются механические свойства и технологические показатели шерстяного волокна. Для устранения таких недостатков технологии на различных стадиях переработки до настоящего времени прибегают к введению в ее состав дополнительного количества жира путем его увлажнения эмульсиями жиров различного состава. В то же время наличие жиров, уменьшает значение адгезионных сил между волокнами, что ухудшает механические показатели готовой пряжи [2; 3; 9; 11-13].

Экспериментальная часть. С целью выяснения возможности применения натуральных полимеров, а также других компонентов коллоидной композиции были изучены физико-химические свойства и их взаимодействие с белковыми волокнами. Степень взаимодействия характеризовали по смачиваемости и потопляемости белковых волокон. Смачиваемость волокон измеряется на основе определения краевого угла смачивания одиночного волокна или связки нитей согласно теории Вашбурна. На практике данный метод реализован в процессорных тензиометрах K100 фирмы KRUSS. Для определения смачиваемости различных поверхностей обычно рассчитывают краевой угол по методу лежащей капли. Этим методом легко пользоваться, особенно если поверхность однородная, плоская, без пор.

Сформировать каплю на поверхности нити или пористого материала довольно сложно, кроме того, она будет проникать в поры, следовательно, профиль капли будет недостоверным или искаженным. Несмотря на то, что приборы краевого угла DSA100 фирмы KRUSS позволяют дозировать микрокаплю на волос, для изучения смачивающих свойств волокон, порошков и пористых материалов тензиометр K100 был оснащен специальными держателями.

Исследована вязкость раствора ПЭГ с молекулярной массой 400 в интервале температур 293.15–323.15 К. Использовали полиэтиленгликоли марки “х.ч.” или “ч.д.а.” Измерения проводили с помощью вискозиметра ВПЖ 2 с диаметром капилляра 0.34 мм. Время истечения измерялось с точностью ±0.1 с. Термостатирование осуществлялось с точностью ±0.01 К. Растворы готовились гравиметрическим методом. Измерения проводили на электронных весах с точностью ±0.0002 г. Все измерения проводились в соответствии с методикой, описанной в [8; 10; 14; 16; 17].

Результаты и их обсуждение. Для улучшения качественных характеристик натурального белкового волокна использована обработка коллоидными составами на основе кератина шерсти и полиэтиленгликоля. В его основе лежит предположение, что наличие водорастворимых полимеров и их солей в коллоиде способствует снижению уровня повреждения поверхности волокна, а также увеличению сил между волокнами и тем самым уменьшению ворсистости, как отдельных волокон, так и всей пряжи. Кроме того, макромолекулы водорастворимых полимеров и их солей также способствуют стабилизации влажности волокон как гидрофильных веществ [4-7; 15].

Смачиваемость белковых волокон определяли с помощью специального чашеобразного цилиндра определенного диаметра. Осаждение белковых волокон в исследуемых коллоидных жидкостях осуществляли следующим образом: около 0,5 г волокон опускали в цилиндр (предпочтительно круглой формы) со 100 мл жидкостью. С помощью секундомера определяли время, необходимое для полного осаждения пробы.

Изучение влияния природы и концентрации водорастворимого природного полимера показало, что растворы всех выбранных полимеррных соединений существенно смачивают практически влажные белковые волокна (табл. 1).

Таблица 1.

Смачивание белковых волокон водными растворами модификаторов коллоидных композитов от концентрации и потопляемости

Степень смачивания волокон в этом растворе значительно выше, чем в чистой воде, независимо от природы и концентрации водорастворимого состава и различных его компонентов.

Полиэтиленгликоль (ПЭГ) представляет собой неионный полимер. Его можно получить путем полимеризации оксиэтилена с этиленгликолем. ПЭГ широко используется в производстве эмульсий. Научный интерес к ПЭГ и его водным растворам обусловлен его высокой растворимостью в гидрофильных и гидрофобных веществах. Объектом исследования являлась зависимость вязкости водных растворов полиэтиленгликоля от величины массовой доли компонента в составе.

Рисунок 1. Зависимость вязкости водных растворов полиэтиленгликоля от значения массовой доли компонента в коллоиде

Вискозиметрические измерения водных растворов полимеров проводились при температуре 18–20°С с использованием капиллярного вискозиметра Уббелоде с диаметром капилляра 0,34 мм (рис. 1). Коллоидные растворы при протекании через пористую среду ведут себя как неньютоновские жидкости, а их реологическое поведение характеризуется ньютоновским сдвигом. Течение коллоидного раствора в пористой среде является сложным явлением, поэтому разработка детального оптимального состава коллоидного композиционного модификатора является обязательным условием для представления физического процесса в лабораторных условиях.

Рисунок 2. Зависимость вязкости водных растворов коллоидной композиции от концентрации компонентов

На поведение коллоидов в пористых средах влияют многие факторы, такие как поток неньютоновской жидкости, адсорбция, несуществующий объем пор, удержание коллоида, коэффициент остаточного сопротивления, коэффициент уменьшения проницаемости, концентрация компонентов и скорость сдвига, подверженная особым воздействиям на вязкость растворов коллоидных систем (рис. 2).

Как видно из данных таблицы 2, коллоидные композиционные модификаторы, содержащие полиэтиленгликоль и кератин, характеризуются высокими уровнями тиксотропного восстановления. Это постепенное восстановление конструкции и, следовательно, увеличение прочности происходит не только тогда, когда система находится в состоянии покоя, но и когда система течет со скоростью ниже той, которая вызвала такое разрушение исходной конструкции. В то же время при обратном переходе от высокоскоростного стационарного режима течения к низкоскоростному происходит некоторое восстановление структуры, и соответственно увеличивается эффективная вязкость и прочность конструкции, чем выше содержание полиэтиленгликоля, тем более выражен этот эффект в системе. Включение в состав полиэтиленгликоля и кератина приводит к увеличению коэффициента тиксотропного восстановления, т.е. увеличение скорости процессов релаксации.

Таблица 2.

Вязкость водных растворов коллоидных композиционных модификаторов и их компонентов

Эффективность растворов высокомолекулярных коллоидных композиционных модификаторов на основе кератина и полиэтиленгликоля на смачивание белковых волокон водой сравнивали с аналогичным действием коллоидных растворов: полиэтиленгликоля и кератина (рис. 3).

Обработка природных волокон растворами коллоидного состава на основе полиэтиленгликоля и кератина существенно снижает угол их контакта с водой, т.е. улучшает смачивание их поверхности. С увеличением концентрации коллоидных модификаторов с низкой поверхностной активностью увеличивается энергия его адгезии. Чрезмерную зависимость энергии адгезии кератина от концентрации последнего можно объяснить насыщением поверхности волокна молекулами реагента. Зависимость поверхностного натяжения водных растворов коллоидных модификаторов от их концентрации определяли методом максимального давления пузырька по Ребиндеру (рис. 4).

Данные показывают, что исследованные вещества обладают значительной поверхностной активностью. Когда изотермы выходят на плато, точки перегиба соответствуют критическим концентрациям мицеллообразования. Видно, что кератин обладает относительно высокой поверхностной активностью по отношению к полиэтиленгликолю и воде. На основании экспериментальных данных, измеренных при различных концентрациях, энергии ассоциации молекул в растворителе и адгезии модификатора к белковым волокнам рассчитано поверхностное натяжение рассматриваемых растворов коллоидных модификаторов.

При механической адгезии адгезивный материал прилипает к поверхности, заполняя отверстия или поры. Химическая адгезия образует химические связи, которые могут быть ионными или ковалентными. Если связи ионные, электроны могут отдаваться или отводиться, либо может происходить обмен электронами в ковалентной связи.

Расчетные значения энергии сцепления W_k и адгезии W_a приведены в таблице 3, где отчетливо видна следующая закономерность: коллоидные композиции на основе серицина и глицерина обладают сравнительно меньшей поверхностной активностью, чем кератин и полиэтиленгликоль, и мало влияют на межмолекулярное взаимодействие жидкости вследствие своего присутствия в жидкости. Раствор существенно не снижает энергию сцепления молекул растворителя. Наибольшее влияние на энергию когезии оказывают коллоидные композиции на основе кератина и полиэтиленгликоля с наибольшей поверхностной активностью.

Таблица 3.

Зависимость значений энергии когезии W_k и адгезии W_а растворов коллоидных композиционных веществ от их концентрации

Вывод. Таким образом, обработка белковых волокон модифицирующим коллоидным препаратом на основе кератина и полиэтиленгликолья способствует их равномерному увлажнению и улучшению процесса прядения. Добавление кератина делает возможным его использование в текстильной промышленности в качестве коллоидного раствора для модифицирования шерстяной пряжи. К преимуществам модифицирующого коллоидного раствора на основе кератина, получаемого из отходов местного сырья куриного происхождения, можно отнести легкую доступность. Он не требует применения химических реагентов, может быть достаточно легко обработан в требуемых количествах.

Список литературы:

1. Бабич О.О, Разумникова И.С., Полетаев Н.Ю. Переработка вторичного кератинсодержащего сырья и получение белковых гидролизатов на пищевые и кормовые цели // Техника и технология пищевых производств. – 2011. – № 2 (21) – С.11–17.
2. Байчоров Т.М. Разработка и усовершенствование непрерывной технологии переработки отечественной тонкой шерсти по циклу «немытая шерсть – трикотажная пряжа» : дис. ... канд. техн. наук. – М., 2019. – 158 с.
3. Бортников С.В., Горенкова Г.А., Комарова О.В. Получение кератинсодержащих белковых дисперсий из перопуховых отходов // Вестник Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова. – 2015. – С. 10–14.
4. Исмаилов Р.И., Аскаров М.А., Давлатов Р.М. Физико-химические свойства полимерной композиции на основе поличетвертичной соли N,N-диметиламиноэтилметакрилата и их влияние на свойства шерсти // Композиционные материалы. – 2001. – №2. – С.4–8.
5. Исмаилов Р.И., Давлатов Р.М., Максумова А.С., Исмаилов И.И., Ташпулатов Ю.Т. Изучение влияния полимерной композиции на основе поличетвертичной соли на свойства шерстяных волокон и пряжи на их основе // Докл. АН РУз. 2002. – № 2. – С. 47–49.
6. Исмаилов Р.И., Маматкулова М.Б., Ганиева Д.Ф. Кератинсодержащие отходы и их применение в качестве модификатора натуральных волокон // Инновационные технологии в швейно-трикотажном промышленности, проблемы при разработке, анализ и переспективы развития отрасли: сб. ст. Межд. научно-практ. конф. – T. – 2. – Наманган. – 2022. – С.462–466.
7. Исмаилов Р.И., Маматкулова М.Б., Ганиева Д.Ф., Давлатов Р.М. Структурные преобразования модифицированного шерстяного волокна // Композиционные материалы. -№3. 2023. -С.229-230.
8. Ланге К.Р. Поверхностно активные вещества, синтез, свойства, анализ, применение. –СПб.: “ПРОФЕССИЯ”, 2005. – 240 с.
9. Линь В.В. Обработка кожи и меха. – М.: Аделант, 2006. – 383 с.
10. Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. – Т.1. – Основы
    биохимии строение и катализ. – М.: Лаборатория знаний, 2017. – 694 с.
11. Парсанов А.С., Николаенко Г.Р. Стойкость шерстяных волокон к биологическим разрушениям // Вестник Казанского технологического университета. – № 4. – Т.20. – С. 69–75.
12. Разумев К.Э. Уникальные свойства шерсти // Текстильная промышленность. – 2002. –№ 11. – С. 8–10.
13. Роговина С.З., Прут Э.В., Берлин А.А. Композиционные материалы на основе синтетических полимеров, армированных волокнами природного происхождения // Высокомолекулярные соединения. Серия А. – 2019. – Т. 61. – № 4. – С. 291–315.
14. Сапожникова А.И., Месропова Н.В., Топорова И.В. Коллаген – основа
    шлихтовального раствора // Межвед. сб. научн. трудов. MBA. – 1990. – С. 96–98.
15. Хайдаров И.Н., Исмаилов Р.И. Изучение огнестойкости целлюлозных материалов, физически модифицированных антипиреновыми суспензиями // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 6 (75). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9652 (дата обращения: 03.05.2024).
16. Шуляк И. В., Грушова Е. И., Семенченко А. М. Реологические свойства водных растворов полиэтиленгликолей различной молекулярной массы // Журнал физической химии. – 2011. – Т. 85. – № 3. – С. 485–488.
17. Шуляк И.В., Грушова Е.И. Использование теории разбавленных растворов полимеров для определения конформации макромолекул в воде // Труды Белорусского государственного технологического университета. Серия 4. Химия и технология органических веществ, 2009. – С. 92–94.
18. Wang K., Li R., Ma J. et al. Extracting keratin from wool by using Lcysteine //
    Green Chemistry. – 2016. – Vol. 18. – No 2. – P. 476.