ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМАЧИВАНИЯ И КРАШЕНИЯ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН ПРИ МОДИФИКАЦИИ ИХ ПОЛИМЕРНЫМИ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрено влияние водорастворимых композиций на основе серицина и полиэтиленгликолья на физико-механические показатели натурального хлопкового волокна. И далее были рассмотрены результаты смачивания композиции, при модификации натурального хлопкового волокна, приведены расчетные значения энергии когезии W_k и адгезии W_а. Проведено исследование окрашиваемости исходных и модифицированных образцов хлопка и изучено влияние модификационной обработки на значения крашения натуральных волокон. Приведено положительные изменение показателя окрашиваемости хлопковых волокон, обработанных разными концентрациями полимерной композиции на основе серицина и полиэтиленгликолья..

ABSTRACT

This article examines the influence of water- soluble compositions based on sericinand polyethylene glycol on the physical and mechanical properties of natural cotton fiber. Then the results of wetting the composition when modifying natural cotton fiber were considered and  the calculated values of the cohesion energy W_k and adhesion W_а.  were given. A study of the dyeability of original and modifiend cotton samples was carried out and the effect of modificatrion treatment on the dyeing values of natural fibers was studied. Positive changes in the dyeability index of cotton fibers treated with different concentrations of a polymer composition based on sericin and polyethylene glycol are presented.

Ключевые слова: хлопковое волокна, модификация, композиция, серицин, полиэтиленгликоль, смачиваемость, физико-механические свойства, переработке отходов производства, краситель, закрепитель.

Keywords: cotton fiber, modification, composition, sericin, polyethylene glycol, wettability, physical and mechanical properties, recycling of production waste, dye,  fixative.

Введение. Легкая промышленность включает в себя пять основных отраслей: текстильную, швейную, кожевенную, меховую и обувную. Текстильная (от лат. слова «textile» – ткань, материя) промышленность – одна из старейших и наиболее крупных отраслей лёгкой промышленности, вырабатывающая из различных видов растительного, животного и химического волокна ткани, трикотаж и другие изделия.

Текстильная промышленность имеет несколько подотраслей. В ее состав входят предприятия первичной обработки текстильного сырья, хлопчатобумажная, шерстяная, шелковая, льняная, пенькоджутовая, трикотажная и валяльно-войлочная промышленность, а также производство нетканых материалов и текстильно-галантерейных изделий.

Наиболее материалоемкими производствами из представленной структуры текстильного производства являются прядильное, ткацкое и отделочное. Поэтому большое внимание уделяется снижению материалоемкости изделий текстильной промышленности (в частности, снижению расхода пряжи на выработку 1 м² ткани), экономии сырьевых и энергетических ресурсов, переработке отходов производства.

Проблемы повышения технического уровня производства, улучшения технологических процессов и экономии сырья в полной мере стоят перед текстильной промышленностью и, в частности, перед хлопкопрядильным производством, в котором перерабатывается натуральное дорогостоящее сырье. Ввиду того, что в последние десятилетия остро встал вопрос экологической безопасности отделочного производства, к способам интенсификации процессов отделки предъявляются повышенные требования. Необходимо, чтобы способ интенсификации максимально сохранял структуру и свойства волокна и был эффективен и экономичен.

На сегодняшний день решение технологических задач связанные ресурсами сырья и их переработкой является крайне важным в связи с возрастанием требований мирового населения к продукциям на основе натуральных волокон.

Актуальность и изученность работы. Характерной особенностью материалов, используемой в легкой промышленности, является их волокнистая капиллярно-пористая структура. В процесс эксплуатации изделий внешним воздействиям (механическим, тепловым, химическим и т.д.) подвергаются в первую очередь поверхностные слои материалов, и от их прочности, стойкости зависит долговечность изделий.

Традиционные методы модификации поверхности изделий текстильной промышленности (механические, термические, химические, химико-термические, электрохимические) не позволяют комплексно улучшить характеристики поверхности и создают ряд проблем, важнейшими из которых являются дефицит сырьевых и энергетических ресурсов, загрязнение атмосферы и промышленных стоков. Более того изменения в заданную сторону одного параметра сопровождается, как правило, ухудшением других свойств материалов.

Снизить остроту указанных проблем позволяет использование, например, в текстильной промышленности полимерно-композиционной технологии, характеризующейся меньшим потреблением химических реагентов и меньшим загрязнением окружающей среды.

Одной из основных задач современного материаловедения является установление взаимосвязи свойств материалов с особенностями их микроструктуры. Решение таких задач позволяет создавать экспресс методы оценки структурных изменений и совершенствовать технологические режимы производства.

Обретение республикой Узбекистан независимости и выход ее на мировой рынок, придал новый мощный импульс для развития хлопкоочистительной промышленности. На сегодняшний день Узбекистан занимает шестое место в мире по производству хлопка-сырца и второе по экспорту хлопкового волокна. Она является полноправным членом МККХ (международный консультативный комитет по хлопку), а также крупных бирж по реализации хлопка волокна (Ливерпульской, Бременской и Гданьской). Образцы узбекского хлопка волокна были приняты и утверждены Международной ассоциацией и арбитражным комитетом качества как соответствующие мировым стандартам.

Наша Республика выращивает в год в среднем 3,5 – 3,9 млн. тонн хлопка-сырца. В хлопкоперерабатывающей отрасли работают около 100 хлопкозаводов, более 500 заготовительных пунктов, а также десятки цехов и предприятий по обеспечению их жизнедеятельности. Все хлопкозаводы являются открытыми акционерными обществами и выведены из государственного подчинения. Новые экономические отношения потребовали переосмысления технологической политики в области переработки хлопка-сырца, возникла настоятельная потребность в разработке эффективных технологий, сокращению числа оборудования в тех-нологическом процессе при сохранении качества получаемого продукта.

Хлопок-сырец очищают от посторонних сорных примесей в очистительном цехе, оборудование которого включается в непрерывный технологический процесс переработки хлопка-сырца. Назначение операции очистки заключается в максимальном выделении сорных примесей из хлопка-сырца перед операцией джинирования. Эта операция является одной из главных и не может быть исключена из технологического процесса, особенно в хлопкопрядильных предприятиях Сырдарьинской области республики Узбекистан.

В работе [1], на примере Мирзачулских регионах, рассматрывается динамическая модель, описывающий отделение крупных и мелких сорных примесей от хлопковой массы, имеющих упругую связъ с хлопком. Установлена связь между силами, действующими на соринку от угловой скорости и радиуса рабочего барабана очистителя, получены закономерности движения соринок на поверхности и внутри массы хлопка от параметров процесса

В этом случае такие виды соринок некоторое время совершают движение в области внутри волокнистой массы, причем перемещение соринок относительно клочки имеет преимущественно в радиальном направлении. Для составления уравнения движения соринки, полагаем, что на соринку действует сила связи между соринкой и волокнами, а также сила трения на поверхности их контакта в результате движения соринки относительно волокнистой массы. Считаем, что сила трения направлена по касательной к траектории движения соринки, причем соринки совершают угловое перемещение совместно с клочком волокнистой массы [1].

В результате анализа динамической модели взаимодействия сорных примесей с волокнистой массой при наличии упругой связи между ними, авторами [1] установлена зависимость параметров перемещения сора от угловой скорости и радиуса рабочего барабана очистителя, что можно использовать при разработке очистителей для хлопка-сырца.

Далее авторами [2] проведены лабораторные исследования распределения летучек разной массы в усредненном опытном образце хлопка-сырца из скомплектованной партии 4-го сорта 3-го класса, т.е., для улучшения качества и ассортимента волокна и семян разработаны очиститель-разделитель хлопка-сырца на фракции разных сортов и рекомендации по его внедрению на хлопкоочистительных заводах.

При авторском [2] предположении, что при разделении хлопка-сырца на фракции разных сортов из хлопка-сырца увеличение стоимости волокна соответствующих сортов будет на порядок выше суммарной стоимости его изготовления, а также монтажа на хлопкоочистительном заводе, что показывает значительную ожидаемую эффективность внедрения очистителя-разделителя и применения технологии раздельной переработки фракций хлопка-сырца разных сортов.

В работе [3] приводится конструктивная схема с принципом работы рекомендуемого рабочего барабана с упругим амортизатором разборщика бунтов хлопка-сырца. Приведены рекомендации по использованию рекомендуемой конструкции рабочего органа.

Анализ результатов сравнительных испытаний показывало, что при использовании рекомендованного бунто разборщика с фрезерной барабаном можно увеличить производительность на 1,9 т/ч по сравнению
с существующим рабочим органом. Разрыхлённость хлопка также улучшиться. В то же время авторами [3] было установлено, что на каждые 10 кг хлопка-сырца (до 4 ÷ 5) количество штук с волокном до 24 % больше, чем при существующей конструкции, т.е. улучшенной разрыхлённость хлопка. В результате было установлено, что эффективность очистки хлопка увеличилась на 5,9%.

Кроме того, требования рынка тканей полнее удовлетворяются при выпуске качественного суровья за счет применения современных шлихтующих препаратов на основе модифицированных крахмалов.
Несмотря на более высокие цены за 1 кг шлихтующих препаратов нового поколения, применение их экономически оправдано и позволяет более рационально производить ткани.

Одним из перспективных способов подготовки основной пряжи к ткачеству является эмульсирование. Этот процесс более экономичен и производителен, чем шлихтование.

Процесс осуществляется при обычной температуре, не требует сушильного устройства. При эмульсировании из-за повышения прочности пряжи на 6–8 % снижается ворсистость. Относительное разрывное удлинение шерстяной ткани и пряжи повышается на 20–30 %, значительно сокращается ее вытяжка и отходы при эмульсировании.

Эмульсирование проводят на специальных установках к ленточным сновальным машинам или на перегонно-эмульсирующих машинах МПЭ-180, МПЭ-230, предназначенных для группировки и навивания на ткацкий навой эмульсированной основной пряжи со сновальных валов или ткацкого навоя.

Эффективность замены шлихтования эмульсированием заключается в снижении себестоимости обработки основ в результате сокращения затрат на химические материалы и пара на 15–20 %, в повышении производительности перегонно-эмульсирующей машины по сравнению с шлихтовальной в 1,7–1,8 раза. Для приготовления эмульсии используют клеящий препарат и антисептик. Эмульсируют в основном шерстяную, хлопчатобумажную и льняную пряжу.

Однако до сих пор единого мнения деформационного поведения хлопка мало изучен, что во многом связано с недостаточностью экспериментальных исследований.

Методы исследования. Одновременно усовершенствование процесса шлихтования эмульсированием идет путем установления контроля за технологическим процессом проклеивания пряжи и для повышения эффективности используются модифицирование. В настоящее время разнообразие и свойства тканей удивляет. Это объясняется появлением большого количества способов обработки, одним из которых является модификация.

За годы независимости в нашей стране наладилось производство высококачественной продукции из имеющегося сырья, натуральных волокон, в частности хлопковых волокон, а также перерабатывающих их отрасли промышленности, было уделено внимание на модификацию разными композитами в целях получения высококачественных хлопковых волокон и были достигнуты в какой-то мере успехи в производстве и в результате легкая промышленность заняла существенное место в экономике нашей страны. На сегодняшний день на современно оборудованных предприятиях страны производятся пряжи, ткани, разновидные швейно-трикотажные товары, спецодежды. Такие виды легкой промышленности обеспечивают не только внутренный рынок, но и Европейские, Американские, Азиатские и Африканские страны.

Внедрение современных методов обработки тканей полимерными композитами - это реальный путь для решения многих экологических и экономических задач в текстильной промышленности. Процессы модификации текстильных материалов используется во многих странах мира (Россия, Италия, Китай, Япония, Швейцария и др.). В отечественной практике эти процессы внедрены на ряде предприятий текстильной и легкой промышленности с целью обработки шерстяных, меховых и кожевенных материалов. Однако возможности интенсификации процессов с использованием обработки модификатора на основе местного сырья далеко не исчерпаны. Поэтому исследования, направленные на расширение области применения модификации в текстильной промышленности, являются актуальными.

Наряду с поиском путей совершенствования технологии и оборудования перспективным может оказаться разработка методов эффективного использования образующихся отходов.

В предприятиях по переработке шелка в большом количестве образуется сточная вода содержащей белковые вещества. Отработанная сточная вода частично очищается и сбрасывается в стоки.

Растворимость серицина в воде, резко отличающая его от фиброина, обусловлена особенностями химического строения: высоким содержанием полярных, способных гидратироваться групп в боковых цепях, менее упорядоченным расположением цепей с меньшим межмолекулярным взаимодействием между ними.  Полное удаление серицина из отходов кокономотального производства представляет значительные трудности, потому что при выделении серицина фиброин так же может раствориться. Волокнистые отходы кокономотального производства кипятятся в дистиллированной воде 60 мин. при модуле 1:50. В раствор серицина слоев оболочки кокона постепенно добавляют этиловый спирт и при этом осаждаются два разных вида серицина. Один, который имеет сравнительно большую степень растворимости в воде, в основном, находящийся в наружных слоях оболочки кокона, называется серицин «А». Другой, имеющий сравнительно меньшую степень растворимости в воде, и, в основном находящийся во внутренних слоях оболочки кокона, называется серицин «Б». Принцип выделения основан на разной степени растворимости в спирте этих двух видов серицина.

Использование водных растворов белков для модификации хлопкового волокна открывает новые перспективы улучшения их гигиенических свойств. Он имеет ряд преимуществ перед прядением волокна с использованием смеси полиспиртов и природного шелкового серицина на стадии модификации хлопкового полимера на основе полимер-аналогичных превращений[8].

Для улучшения качественных показателей натурального хлопкового волокна была применена обработка водорастворимыми композиционными растворами на основе  полиэтиленгиликолья и серицина.

Методы композитного модифицирования, или методы смешения, когда к основному волокнообразующему полимеру добавляются совместимые с полимером компоненты или мелкодисперсные добавки – носители новых свойств  [4].

Цель настоящей работы является добиться улучшения технологических и эксплуатационных характеристик изделий из хлопковых текстильных материалов возможно за счет модификации механических и физических свойств волокна. Цель исследования заключается в создания на основе серицина эффективных модификаторов для регулирования свойств текстильных волокон.

Полученные результаты и их обсуждение. Эффективность действия растворов созданного высокомолекулярного композиционного модификатора на основе полиэтиленгликолья и серицина на смачиваемость волокна водой сравнивалась с аналогичным эффектом действия растворов композиции (рис.1).

Обработка натуральных волокон растворами композиции на основе полиэтиленгликолья и серицина значительно уменьшает угол их смачивания водой, т.е. улучшает смачиваемость их поверхности водой. C ростом концентрации модифицирующих агентов, имеющего небольшую поверхностную активность, увеличивается энергия его адгезии. Экстремальную зависимость энергии адгезии серицина от концентрации второго можно объяснить насыщением поверхности волокон молекулами реагентов. Определена зависимость поверхностного натяжения водных растворов модифицирующих веществ от их концентрации методом наибольшего давления пузырьков по Ребиндеру (рис. 2).

Данные показывают [6], что исследуемые вещества обладают значительной поверхностной активностью. Участки перегибов при выходе изотерм на плато соответствуют критическим концентрациям мицеллообразования. Видно, что сравнительно сильной поверхностной активностью обладает серицин по сравнению (см. рис. 2).

На основании экспериментальных данных поверхностного натяжения растворов рассматриваемых модификаторов, измеренных при их различных концентрациях, была рассчитана энергия когезии молекул в растворителе и адгезии модификатора на хлопковых волокнах.

Расчетные значения энергии когезии W_k и адгезии W_а приведены в табл. 1, где четко прослеживается следующая закономерность: композиции на основе серицин и полиэтиленгликолья обладает сравнительно меньшей поверхностной активностью, чем кератина и глицерина, и незначительно влияет на когезионное межмолекулярное взаимодействие жидкости, вследствие чего его присутствие в растворе не сильно снижает энергию когезии молекул растворителя. Наиболее сильно влияет на энергию когезии композиции на основе серицина и полиэтиленгликолья, обладающее наибольшей поверхностной активностью.

Таблица 1.

Зависимость значений энергии когезии Wk и адгезии Wа растворов полимерных композиционных веществ от их концентрации

Таким образом, обработка хлопковых волокон модифицирующим агентом на основе серицина и полиэтиленгликолья способствует их равномерному увлажнению и улучшению процесса прядения.

Хлопковое волокно имеет форму плоской штопорообразно закрученной ленточки. По структуре оно неоднородно и состоит из очень тонкой наружной оболочки, построенных из целлюлозы. Содержание целлюлозы в зрелом абсолютно сухом хлопковом волокне составляет примерно 95 %. Кроме целлюлозы в суровых хлопковых текстильных материалах содержатся сопутствующие примеси: воскообразные вещества, азотсодержащие (белковые) вещества, пектиновые вещества, лигнин, минеральные соли и естественные красители. Эти примеси в большей или меньшей степени может быть присутсвовать в волокне, чтобы обеспечить взаимодействие красителей и других препаратов с целлюлозой.

В сухом состоянии хлопковое волокна в практике малодоступны для проникновения в них красителей. В водной среде происходит набухание волокон хлопка, при этом диаметр пор достигает 3–7 нм. Увеличивается также активная поверхность волокон: с 15¾ 20 м²/г в сухом состоянии до 100–200 м²/г в набухших волокнах. Все это способствует диффузии красителей в волокно и взаимодействию их с целлюлозой на активной внутренней поверхности [7].

В реакциях взаимодействия с красителями наиболее активны ОН–группы у шестого углеродного атома.

Целлюлоза активно взаимодействует с молекулами воды, что сопровождается набуханием целлюлозных волокон. При этом волокна из регенерированной целлюлозы, в частности вискозные, в мокром состоянии теряют до 40–50 %, прочности. Хлопок при набухании в воде прочности не теряют.

Объектом исследования были исходные и модифицированные волокна хлопка. Сорбцию красителей определяли колориметрированием растворов до и после крашения [5, c.100-112].

В модифицированных образцах содержания красителя увеличивается. Количество красителя на модифицированной волокне по сравнению с исходными больше. Необходимо отметит, увеличение полимера-модификатора на волокне способствует повышения фиксации красителя. Далее было изучена кинетика крашения модифицированного хлопкового волокна катионным красителем (рис.4).

Повышения температуры крашения способствует связывании большего количество красителя на волокне. Такая закономерность наблюдается как при крашении контрольных, так и при крашении модифицированных образцов.

Изучение кинетики процесса крашения модифицированных волокон 1,5 % ном полимерном раствором способствует повышению количество связанного красителя на волокне по сравнению к исходному почти до 1,5 раза. Необходимо отметит исходное волокно связывает относительно меньше красителя, чем модифицированный.

Количество фиксированного красителя на модифицированном волокне увеличивается в случае применения раствора модификатора концентрации 3,0 г/л до 1,9 раза, а в случае концентрации 2,5 г/л до 1,6 раза. В этом случае также наблюдается увеличения количество связанного красителя на волокне в случаях применения раствора модификатора с более низкой концентрацией в полимерной композиции.

При взаимодействии полимеров пониженной концентрациях с текстильными целлюлозосодержащими материалами капиллярно
– пористой структуры у поверхности обрабатываемого материала образуется
полимерный слой положительного заряда [8]. Причинами образования положительного заряда являются присутствие полиэтиленгликолья и серицина в качестве модификатора или закрепителя. Ионы компонентов в полимерной композиции, активируют поверхность текстильного материала.

В результате в порах и капиллярах возникает пробой с образованием заряженных частиц. Рекомбинации этих частиц на поверхности пор и капилляров приводят к разделению структуры целлюлозных волокон, повышению их сцепляемости между собой, что способствует сохранению пространственной формы тканей. При этом, происходит ослабление, разрыв и перестройка межмолекулярных связей с образованием новых ненасыщенных химических связей, улучшающих гигроскопические свойства тканей.

Список литературы:

1. Ходжиев М.Т., Гайбназаров Э.Э. [и др.]. Анализ динамической модели взаимодействия сорных примесей и теоретическоеизучение перемещения сора в хлопке-сырце при его очистке от сорных примесей // Universum: Технические науки : электрон. научн. Журн. 2018. № 10(55).
2. Ходжиев М.Т., Байханов Б.А., Хакимов Ш.Ш. Разработка очистителя-разделителя хлопка-сырца на фракции разных сортов // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 2(71)
3. Ходжиев М.Т., Ашуров А.К., Джураев А.Д. Ресурсосберегающий составной фрезерный барабан с упругим амортизатором разборщика бунтов хлопка // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 6(99).
4. Шеркулова Н.Р. Методы модификации шелковых волокон: монография для вузов по направление первичной обработки натуральных волокон/ Шеркулова Н.Р., Давлатов Р.М., Маматкулова М.Б.; под общей ред. М.Т. Ходжиева. — Гулистан.— редак. «Зиё», 2022 г-148 с.
5. Мельников Б.Н., Виноградова Г.И. Применение красителей. -М., Химия, 1986. С.100-112
6. Исмаилов Р. И. Катионные поверхностно-активные вещества для регулирования свойств текстильных волокон/ Автореферат докторской диссертации -Ташкент-2014,87с.
7. Камаева Регина Евгеньевна. Регулирование способности
   целлюлозосодержащих материалов из льняных и хлопковых волокон к формообразованию с помощью высокочастотной плазмы пониженного
   давления
8. Р.И.Исмаилов, Р.М. Давлатов, Н. Р. Шеркулова. Физика и  химия полимеров. Учебное пособие. г.Гулистан, 2023 г., -280 с.