МОДИФИКАЦИЯ КРАХМАЛЬНОЙ ШЛИХТЫ ВОДОРАСТВОРИМЫМИ ПОЛИМЕРАМИ

АННОТАЦИЯ

Методом ИК-спектроскопии исследованы модифицированные образцы крахмала при его смешении с полимерами НАК, Na-КМЦ и ГИПАН. Установлено, что взаимодействие функциональных групп (гидроксильных, карбоксильных, амидных и нитрильных) инициирует образование водородных связей, обеспечивающих стабилизацию пространственной структуры и формирование устойчивого геля. Показана зависимость вязкости крахмального клея от концентрации НАК, а также выявлено влияние содержания модифицирующих добавок на степень тиксотропного восстановления и предел текучести.

Дополнительно проведён термический анализ, подтвердивший наличие межмолекулярных взаимодействий, определяющих устойчивость композиций при технологической обработке пряжи. Установлено, что введение НАК, Na-КМЦ, КТПК и ГИПАН способствует повышению реологических характеристик шлихтующих растворов, интенсификации процессов структурной релаксации и формированию более прочных адгезионных плёнок. Полученные данные имеют высокую практическую значимость для оптимизации шлихтования хлопчатобумажной пряжи, снижения расхода крахмала и разработки экологически более безопасных композиций.

Таким образом, проведённые исследования вносят вклад в понимание механизмов структурных преобразований в полимерных системах и открывают возможности их целенаправленного применения в текстильной промышленности для повышения качества и конкурентоспособности готовой продукции.

ABSTRACT

Modified starch samples mixed with polymers such as PAC (polyacrylonitrile hydrolyzate), Na-CMC (sodium carboxymethyl cellulose), and HIPAN were studied using IR spectroscopy. It was established that the interaction of functional groups (hydroxyl, carboxyl, amide, and nitrile) initiates the formation of hydrogen bonds, which stabilize the spatial structure and promote the formation of a stable gel. The dependence of starch adhesive viscosity on PAC concentration was determined, and the influence of polymer content on thixotropic recovery and yield stress was revealed.

Thermal analysis further confirmed the presence of intermolecular interactions responsible for the stability of the developed compositions under technological processing conditions. The introduction of PAC, Na-CMC, KTPP, and HIPAN was shown to improve the rheological properties of starch-based adhesives, accelerate structural relaxation processes, and enhance the formation of stronger adhesive films. These findings provide practical benefits for optimizing warp sizing processes in the textile industry, reducing starch consumption, and developing environmentally safer adhesive compositions.

Overall, the conducted research contributes to a deeper understanding of structural transformations in polymer systems and opens prospects for their targeted application in textile manufacturing to improve product quality and competitiveness.

Ключевые слова: модификация, полимер, крахмал, реологические свойства, тиксотропное восстановление, предел текучести, адгезия, текстильные технологии.

Keywords: modification, polymer, starch, rheological properties, thixotropic recovery, yield stress, adhesion, textile technologies.

Введение. Современное развитие текстильной промышленности характеризуется повышенными требованиями к качеству и экологической безопасности готовой продукции. Постоянное увеличение спроса на высококачественные нити основы и ткани на их основе в промышленно развитых странах, а также глобализация рынков и ужесточение международных стандартов стимулируют поиск новых решений в области шлихтования и модификации текстильных материалов. В этих условиях ключевым направлением становится разработка инновационных шлихтующих композиций, которые не только обеспечивают высокие эксплуатационные свойства нитей и тканей, но и позволяют рационально использовать сырьевые ресурсы, снижать себестоимость производства и минимизировать негативное воздействие на окружающую среду.

Особое значение в современных условиях приобретает внедрение локальных и возобновляемых сырьевых компонентов, а также синтетических водорастворимых полимеров, которые способны существенно улучшать биологические, физико-химические и механические характеристики текстильных изделий. Наибольший интерес представляют композиционные системы на основе крахмала, модифицированного различными полимерами, такими как натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), калиевая соль триполифосфорной кислоты (КТПК), натриевая соль альгиновой кислоты (НАК) и гидролизованный полиакрилонитрил (ГИПАН). Совместное использование данных полимеров в составе крахмальных клеев открывает новые возможности для регулирования их структурно-механических свойств, повышения адгезионной способности и устойчивости к технологическим нагрузкам [1,c.69;2,c.29;3,c.6-9;4,c.26].

Таким образом, исследование закономерностей взаимодействия крахмала с полимерными модификаторами и изучение их влияния на реологические характеристики шлихтующих композиций является актуальной научной и практической задачей. Полученные результаты могут служить основой для разработки новых эффективных и экологически безопасных технологий шлихтования, что имеет важное значение для дальнейшей модернизации и повышения конкурентоспособности текстильной промышленности.

Материалы и методы. Для достижения поставленных целей были проведены комплексные исследования композиционных систем, созданных на основе природного полисахарида — крахмала, а также ряда синтетических и природных водорастворимых полимеров. В качестве модифицирующих добавок использовались: натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), калиевая соль триполифосфорной кислоты (КТПК, K₂H₃P₃O₁₀), натриевая соль альгиновой кислоты (НАК) и гидролизованный полиакрилонитрил (ГИПАН). Для более полного анализа были исследованы как отдельные системы, так и их совместные комбинации, что позволило выявить синергетический эффект взаимодействия различных полимеров [5,c.27-30;6,c.79;7,c.19;8,c.109].

Подготовка образцов осуществлялась по стандартной методике: крахмал и полимерные добавки предварительно растворялись в дистиллированной воде при строго контролируемой температуре с последующим перемешиванием до получения однородной массы. Концентрация крахмала в составе растворов варьировала в пределах 3–6 %, а количество модифицирующих агентов подбиралось в диапазоне 0,1–0,6 % в зависимости от задачи эксперимента.

Для изучения структурных преобразований и межмолекулярных взаимодействий применялся метод инфракрасной спектроскопии (ИК-спектры регистрировались в диапазоне 4000–400 см⁻¹), что позволило выявить характерные полосы поглощения функциональных групп и установить механизмы образования водородных связей.

Термическое поведение композиционных систем исследовалось методом термогравиметрического анализа (ТГА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), что обеспечило возможность определения температурных интервалов дегидратации и термодеструкции, а также оценки общей термостабильности шлихтующих растворов [9,c.59-62;10,c. 752;11,c.375].

Реологические характеристики изучались с использованием вискозиметрических методов и ротационного реометра, что позволило определить динамическую вязкость, предел текучести и степень тиксотропного восстановления. Полученные данные сопоставлялись при различных концентрациях крахмала и модификаторов, что обеспечило всестороннюю оценку влияния полимерных добавок на структурно-механические свойства клеевых систем.

Таким образом, сочетание спектроскопических, термических и реологических методов позволило комплексно охарактеризовать модифицированные крахмальные композиции и установить взаимосвязь между их составом, структурой и эксплуатационными свойствами [12,c.26;13,c.48].

Результаты и обсуждение. Результаты анализа ИК-спектров модифицированных образцов крахмала показали наличие процессов гелеобразования при его смешении с растворами НАК, Na-КМЦ и ГИПАН. Этот эффект можно объяснить образованием водородных связей между нитрильными и карбоксильными группами в составе НАК, Na-КМЦ и ГИПАН и первичными гидроксильными группами крахмала. Существенную роль в стабилизации данных связей играют также межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса, что указывает на наличие синергетического взаимодействия между компонентами композиции [14,c.156;15,c.69-71].

Таким образом, результаты физико-химических исследований подтверждают, что процесс гелеобразования в модифицированных системах на основе крахмала, Na-КМЦ, ГИПАН, НАК и КТПК обусловлен взаимодействием функциональных групп полимеров. Основным механизмом стабилизации структуры является образование водородных связей, формирующихся благодаря межмолекулярным силам Ван-дер-Ваальса.

ИК-спектральный анализ полимерной композиции (рис. 1), состоящей из крахмала, Na-КМЦ, НАК, КТПК и ГИПАН, выявил характерные полосы поглощения в следующих диапазонах: 3630–3410 см⁻¹, 2935 см⁻¹, 2364–2345 см⁻¹, 1710 см⁻¹, 1655 см⁻¹, 1543 см⁻¹, 1000 см⁻¹ и 467 см⁻¹. Полосы в области 3630–3410 см⁻¹ соответствуют валентным колебаниям гидроксильных групп и кристаллизационной воды. Смещения деформационных колебаний –ОН^- и –СООН^-групп (1655–1543 см⁻¹) в область низких частот указывают на наличие межмолекулярного взаимодействия между компонентами композиции — крахмалом, Na-КМЦ, НАК, КТПК и ГИПАН.

Предложенный механизм может быть объяснен следующим образом: взаимодействие функциональных групп (гидроксильных, карбоксильных, амидных и нитрильных) инициирует образование водородных связей, что приводит к стабилизации пространственной структуры и формированию устойчивого геля.

Физико-химические исследования показали, что процесс гелеобразования при модификации крахмала в присутствии полимеров Na-КМЦ, ГИПАН, НАК и КТПК обусловлен взаимодействием их функциональных групп. Основным механизмом стабилизации структуры является образование водородных связей, усиленных межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса.

Для более полного понимания структурных преобразований была проведена термическая характеристика разработанной шлихтующей композиции. Термический анализ позволил установить особенности термостабильности композиции, а также подтверждает наличие межмолекулярных взаимодействий, обеспечивающих её устойчивость при технологических режимах обработки пряжи.

Полученная дериватограмма (рис. 2) включает четыре характерные кривые, отражающие термическое поведение композиции. Эти стадии разложения обусловлены, соответственно, дегидратацией и деструкцией низкомолекулярных фрагментов, а также глубокой термоокислительной деструкцией высокомолекулярных структурных элементов композиции.

Одним из ключевых параметров, определяющих технологическую пригодность шлихтовальных растворов, является их вязкость, играющая важную роль в процессе шлихтования пряжи. В связи с этим было исследовано влияние концентраций НАК и КТПК на вязкость крахмального клея.

Рисунок 2. Дериватограмма шлихты на основе крахмала, натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, ГИПАНа, натриевой соли альгиновой кислоты и калиевой соли триполифосфорной кислоты

1 – кривая температуры; 2 – кривая динамического термогравиметрического анализа (ДТГА); 3 – производная кривой динамического термограви- метрического анализа (ДТГП); 4 – кривая ДСК разложения: первый в пределах 67–395 °С, а второй — в диапазоне 400–670 °С.

Экспериментальные данные (рис. 3, 4) показали, что введение НАК в состав крахмального клея вызывает заметное повышение его вязкости по сравнению с КТПК. Так, при добавлении до 0,2 % НАК и 0,3 % КТПК наблюдается резкий рост вязкости системы. При дальнейшем увеличении содержания НАК до 0,3 % и КТПК до 0,5 %, рост вязкости становится более постепенным. Установленное явление свидетельствует об ускорении процесса клейстеризации крахмала и формировании более плотной пространственной структуры адгезионной композиции.

Анализ результатов (табл. 1) показывает, что степень тиксотропного восстановления композиции прямо зависит от состава шлихты: с увеличением содержания крахмала и модифицирующих добавок значения тиксотропного восстановления возрастают. Это свидетельствует об интенсификации процессов структурной релаксации.

Рост вязкости и повышение прочности пространственной структуры растворов проявляется тем отчетливее, чем выше концентрация модификаторов в системе. Введение в состав крахмала таких полимеров, как НАК, КТПК, ГИПАН и Na-КМЦ, способствует увеличению коэффициента тиксотропного восстановления, что указывает на ускорение релаксационных процессов и улучшение структурно-механических свойств клеевых растворов.

Следует подчеркнуть, что благодаря высоким адгезионным свойствам синтетические водорастворимые полимеры выполняют двойную функцию: выступают в качестве самостоятельных шлихтующих агентов и одновременно действуют как эффективные модификаторы. Это позволяет существенно снизить расход крахмала при шлихтовании без ухудшения качества адгезивной пленки. Широкий диапазон варьирования соотношений компонентов делает возможным их гибкое использование в качестве основы для разработки новых композиционных шлихт.

Реологические исследования 4,0 % крахмального клея, содержащего небольшие количества НАК, КТПК и ГИПАН, показали, что при введении указанных добавок реологические характеристики шлихты существенно изменяются. Это способствует улучшению её физико-химических свойств и повышению эффективности применения в текстильных процессах для шлихтования хлопчатобумажных пряжей.

Таблица 1

Влияние концентрации НАК на степень тиксотропного восстановления и предел текучести модифицированного крахмала. Модификаторы в крахмальном клее - КТПК -0,5%, НАК - 0,3%.

Процесс приготовления шлихты и её состав зависят от множества факторов. В частности, состав шлихтующей композиции может изменяться в зависимости от:

• сорта волокнистого продукта;
• варьирования линейной плотности шлихтованных нитей основы;
• усадки производимой ткани.

Заключение. Проведённые исследования показали, что модификация крахмала с использованием синтетических и природных полимеров (Na-КМЦ, НАК, КТПК и ГИПАН) приводит к существенным изменениям его структурно-механических и реологических характеристик. Установлено, что основным механизмом стабилизации пространственной структуры композиций является образование водородных связей между гидроксильными, карбоксильными, амидными и нитрильными группами, усиленное межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Это способствует формированию устойчивых гелей и повышению вязкости крахмального клея.

Результаты термического анализа подтвердили наличие межмолекулярных взаимодействий, обеспечивающих высокую термостабильность композиционных систем при технологической обработке. Реологические исследования выявили прямую зависимость тиксотропного восстановления и предела текучести от концентрации модифицирующих добавок. Установлено, что введение НАК, КТПК, Na-КМЦ и ГИПАНа способствует интенсификации процессов структурной релаксации, формированию более прочных адгезионных плёнок и улучшению свойств шлихтующих растворов.

Практическая значимость работы заключается в том, что использование предложенных композиций позволяет снизить расход крахмала, повысить эффективность процесса шлихтования и улучшить качество хлопчатобумажной пряжи. Полученные результаты могут служить основой для разработки новых экологически безопасных и экономически эффективных технологий текстильного производства.

Таким образом, проведённые исследования не только углубляют понимание фундаментальных процессов структурообразования в полимерных системах, но и открывают перспективы их практического применения для повышения конкурентоспособности текстильной промышленности.

Список литературы:

1. Амонов М.Р., Равшанов К.А., Хайруллаев Ч.К., Амонова Х.И. Исследование процесса расшлихтовки хлопчатобумажной пряжи, ошлихтованной крахмальным составом // Доклады Академии наук РУз. –Ташкент, 2008. -№ 4. -С. 68-69.
2. Амонов М.Р., Раззоков Х.К., Равшанов К.А., Мажидов А.А., Назаров И.И., Амонова Х.И. Исследование релаксационных свойств хлопчатобумажной пряжи, ошлихтованной полимерными композициями ∕∕ Узбекский химический журнал. – Ташкент, 2007. -  №2. - С. 27-30.
3. Яриев О.М., Амонов М.Р., Амонова Х.И., Мажидов А.А. Оценка реологических свойств полимерной композиции на основе природных и синтетических полимеров // Композиционные материалы. –Ташкент, 2007. -№ 1. -C. 6-10.
4. Мажидов А.А., Амонов М.Р., Раззоков, Х.К., Назаров И.И. Изучение  термодинамических характеристик и поверхностно активных свойств полимерной композиции на основе крахмала и полиакриламида ∕∕ Композиционные материалы. – Ташкент, 2007. - № 2. - С.24-27.
5. Шадиева Ш.Ш., Амонов М.Р. Физико-химические основы получения шлихтующих композиции на основе водорастворимых полимеров // Universum: технические науки. - Москва, - №11(116). - 2023. – с. 27-30
6. Шадиева Ш.Ш., Нурова О.У., Амонов М.Р. Влияние модификаторов на структурно-механические и реологические свойства природного крахмала // Научный вестник Наманганского государственного университета 2023. Выпуск 4, C.75-81.
7. Астрелин И.М., Ковалева О.В. Современные полимерные композиции для текстильной промышленности // Текстильная промышленность. – 2020. – № 3. – С. 15–22.
8. Пивоваров А.А., Киселева И.Н. Влияние водорастворимых полимеров на свойства крахмальных клеевых растворов // Химия растительного сырья. – 2018. – № 2. – С. 105–112.
9. Сидоренко В.Г., Мищенко А.А. Физико-химические основы формирования клеевых пленок на поверхности текстильных волокон. – Киев: Техника, 2017. – 180 с.
10. BeMiller J.N., Whistler R.L. Starch: Chemistry and Technology. – 3rd ed. – Amsterdam: Academic Press, 2009. – 894 p.
11. Tharanathan R.N. Starch – value addition by modification // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. – 2005. – Vol. 45, № 5. – P. 371–384.
12. Хромов С.А. Реологические свойства полимерных систем и их применение в текстильном производстве. – СПб.: Политехника, 2015. – 212 с.
13. Ковалёва О.В., Петрова Т.Н. Исследование межмолекулярных взаимодействий в композициях на основе крахмала и Na-КМЦ методом ИК-спектроскопии // Вестник Казанского технологического университета. – 2018. – Т. 21, № 7. – С. 45–51.
14. Tester R.F., Karkalas J., Qi X. Starch—composition, fine structure and architecture // Journal of Cereal Science. – 2004. – Vol. 39, № 2. – P. 151–165.
15. Singh J., Singh N. Studies on the morphological, thermal and rheological properties of starch separated from some Indian potato cultivars // Food Chemistry. – 2001. – Vol. 75, № 1. – P. 67–77.