РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ДИСПЕРСНОСТЬЮ

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрен способ получения мелкодисперсных волокнистых материалов с регулируемой дисперсностью, включающий смешивание волокнистых отходов с диспергирующей добавкой. Проведено сравнительные исследования, влияния параметров технологических режимов, процесса твердофазного измельчения волокнистых материалов в смеси с другими полимерами в поле интенсивных силовых воздействий. Разработан способ, обеспечивающий получение в роторных диспергаторах и экструдерах порошков из высокоэластичных волокнистых материалов, путем добавок к измельчаемому материалу ПЭНП или другого низкоплавкого термопласта, нагрева до расплавления низкоплавкого термопласта с последующим воздействием давления и деформации сдвига при одновременном охлаждении. Исследование порошковых материалов, полученных при упуго-деформационным соизмельчением полимер-полимерных смесей, показало, что измельчение сопровождается снижением размера волокон и тем самым-существенным повышением степени однородности смесей.

ABSTRACT

The work discusses the development of a method for producing fine fibrous materials with controlled dispersion, including mixing fibrous waste with a dispersing additive. Comparative studies have been carried out on the influence of parameters of technological modes, the process of solid-phase grinding of fibrous materials mixed with other polymers in a field of intense force influences. A method has been developed that ensures the production of powders from highly elastic fibrous materials in rotary dispersers and extruders by adding LDPE or other low-melting thermoplastic to the crushed material, heating until the low-melting thermoplastic melts, followed by exposure to pressure and shear deformation while cooling. A study of powder materials obtained by elastic-deformation co-grinding of polymer-polymer mixtures showed that grinding is accompanied by a decrease in fiber size and thereby a significant increase in the degree of homogeneity of the mixtures.

Ключевые слова: натуральные волокна, смеси полимеров, переработка полимеров, полиэтилен.

Keywords: natural fibers, polymer mixtures, polymer processing, polyethylene.

Введение. В последнее время производство шелковых тканей принадлежит к числу основных отраслей легкой промышленности, в особенности в Республике Узбекистан, где этот вид текстильной продукции давно стал товаром широкого потребления. Одной из основных задач стоящих перед шелкомотальной промышленностью, в условиях рыночной экономики, является повышение эффективности производства натурального шелка на основе рационального использования сырьевых ресурсов, усовершенствование техники и технологии производства и улучшение качество продукции.

 В последние десятилетие, исследователями практически всех специальностей уделяется особое внимание повышению эффективности производства на основе технического прогресса. Интенсивное развитие производства волокон в мире и в нашей стране обусловливает постановку важных научно-технических задач получения их с заданными комплексом свойств и высокими качественными показателями, оптимизации процессов переработки. Связи с этим и растёт объем волокнистых отходов в текстильных предприятиях. [1-2]. Рациональное использование текстильных отходов имеет важное народно-хозяйственное значение.

Методология. Данная разработка относится к области переработки высокомолекулярных соединений, в частности, к области измельчения натуральных волокон шелка, и может быть использовано в шелкомотальной промышленности для получения из шелкового волокна и, в частности, из отходов (вата-сдир, коконный сдир, путаница, одонки, коконный неразмот и т.п.) мелкодисперсного шелкового волокна, с возможностью регулирования дисперсности в зависимости от целей дальнейшего использования в той или иной отрасли промышленности. В частности, такие высокодисперсные волокна могут быть использованы в создании нетканых материалов, при изготовлении искусственной кожи, при изготовлении специальных видов бумаги (банкнот или ценных бумаг, и документов) в качестве защитных волокон и т.д. Известно [3-5], использование волокон натурального шелка в композиции с другими волокнами улучшает прочностные характеристики получаемых специальных бумаг на их основе.

При выработке шелковой пряжи на каждый килограмм шелковой пряжи приходится более одного килограмма различных шелковых отходов, получаемых на кокономотальном, шелкокрутильном и шелкоткацких производствах. Из этого следует, что переработка этих отходов для дальнейшего использования в различных областях промышленности, приобретает важное значение. Первостепенное значение в утилизации этих отходов уделяется приведению их в кондиционное состояние, которое позволит повысить качество получаемой в дальнейшем продукции. В частности, при переработке отходов существенно добиться однородности структуры получаемых материалов, что во многом зависит от соразмерности частиц, из которых эти материалы состоят. В зависимости от дисперсности этих частиц будет во многом определена цель дальнейшего использования этих отходов.

В работе [6], описан способ переработки волокнистых отходов натурального шелка на резальной машине с длиной резки 70-80 мм. Затем волокно разрыхляют на трепальной машине и прочесывают на валочной машине. Недостатком этого способа является его сложность технологии: где необходимо предварительно измельчить волокно, и большая длительность процесса, и невозможность получения высокодисперсных волокон.

В работе [7], описан способ получения порошка из шелка, заключающейся в том, что шелковые отходы в виде рвани, струны, сдира или резаной оболочки коконов шелка-сырца тутового или дубового шелкопряда обрабатывают в автоклаве 3 - 7 масс. % -ным водным раствором щавелевой кислоты при 105 - 120С в течение 2 - 5 ч. После слива раствора волокно промывают трехкратно водой и выдерживают в воде при комнатной температуре 2 ч., нейтрализуют раствор гидроокисью натрия и снова трехкратно промывают водой. Отжимают волокно на центрифуге, высушивают при комнатной температуре и измельчают на шаровой мельнице. Недостатком этого способа является его сложность в технологии, невозможность получения мелкодисперсных шелковых волокон.

Задачей данной разработки является получения мелкодисперсных волокон  из отходов натурального шелка, с возможностью регулирования его дисперсности.

Поставленная задача решается тем, что шелк и, в частности,  шелковые отходы перемешивают с дисперсионной добавкой – полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), полученную смесь подвергают воздействию механического усилия в мельнице роторного типа, при этом смесь, в зависимости от размеров частиц получаемого порошка,  циклично, до 3 раз, нагревают до 130-160⁰С и охлаждают со скоростью 3-30 град/мин. до 40-60⁰С, при этом после первого цикла получает частицы, в среднем, размером  1000 мкм, после второго – 300 мкм, после третьего – 120 мкм, получаемый материал фракционируют, путем рассеивания или флотации, на две составляющие, одна из которых содержит измельченное шелковое волокно, а другая - порошок полиэтилена низкой плотности. Для уменьшения удельных энергозатрат на единицу массы перерабатываемых отходов количество полиэтилена низкой плотности составляет 40 - 90 масс.%.

Предлагаемый способ осуществляют поэтапно:

1.  Всевозможные отходы шелковой промышленности, такие как неочищенная вата-сдир, коконный сдир, бракованные коконы, путаница, коконный неразмот или одонки, предварительно перемешивают с полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП) в виде гранул или порошка
2. Смесь загружают в роторную мельницу и  подвергают воздействию механического усилия - сдавливанию и деформированию сдвигом, при этом циклично материал подвергается нагреву до 130+160⁰С и охлаждению со скоростью от 3 до 30 град./мин. до 40 - 60⁰С.
3. Для получения волокнистого порошка размером, в среднем, 1000 мкм проводят один цикл нагрева и охлаждения.
4. Для получения волокнистого порошка размером, в среднем 300 мкм проводят два цикла нагрева и охлаждения.
5. Для получения волокнистого порошка размером, в среднем 120 мкм проводят три цикла нагрева и охлаждения.
6. Полученный в результате порошковый материал фракционируют путем рассеивания или флотации, на две составляющие, одна из которых содержит измельченное шелковое волокно, а другая - порошок полиэтилена низкой плотности. Рассев можно производить с помощью механических рассевов (ситовых машин) с применением сит с величиной отверстий до 100 мкм.

Результаты. Способ обеспечивает получение волокон натурального шелка со средним размером от 1-2 см до 90-120 мкм в зависимости от условий измельчения. Волокна распределены в порошке ПЭНП с размером частиц от 5 до 20 мкм, содержание которого в исходном материале устанавливается в целях уменьшения энергозатрат на единицу массы перерабатываемых отходов в интервале от 40 до 90 масс.%.

Твердофазную смесь, получаемую на выходе, двух веществ с различной сте­пенью дисперсности разделяют с помощью рассеивания или флотации на две составляющие, одна из которых содержит измельченное шелковое волокно, используемое для дальнейшей переработки, а другая - порошок ПЭНП, который может быть использован многократно в этом же производстве.

Средний размер частиц, измельченного шелкового волокна, как видно из этапов способа, зависит, в большей степени, от кратности циклов нагрева и охлаждения с определенной скоростью. Использование циклического нагрева и охлаждения с определенной скоростью при одновременном воздействии механического усилия позволяет получать твердофазную смесь, содержащую шелковое волокно с различной степенью дисперсности от десятка миллиметров до сотни микрон.

Поскольку в роторной мельнице удается получить порошковой материал, представляющий собой механическую смесь мелкодисперсных частиц термопласта и измельченных волокон натурального шелка с ненарушенной внешней структурой, то применение метода рассеивания или флотации (поскольку эти материалы обладают различным удельным весом) позволяет полностью отделать шелковое волокно от порошка ПЭНП, которой может быть использован повторно.

Характеристики процесса соизмельчения и измельченного шелкового волокна приведены в таблице 1. Как видно из приведенных в таблице данных, в зависимости от цикла переработки средний размер порошковых волокнистых материалов постепенно уменьшается. Особенно сильно проявляется эта тенденция, после 3 цикла переработки смесей.

Таблица 1.

Характеристики процесса соизмельчения и измельченного шелкового волокна

Заключение. Таким образом, совместная переработка ПЭНП с волокнистым материалом, а также их смесей, из вторичного ПЭНП в роторном диспергаторе не только приводит к существенному изменению среднего размера частиц, но и обеспечивает весьма равномерное распределение волокна по объему получаемого порошкового продукта. Все эти данные показывают, о широте возможностей практического применения полимерных порошковых материалов в различных областях.

Список литературы:

1. Islamov B.Kh, Fattahov M. A. Viscosity properties of aqueous solutions of natural silk waste compositions. // The American Journal of Engineering and Technology. 2022. V. 04, I. 02, pp. 1-4.
2. Islamov B.Kh., Tashpulatov S.Sh., Vahobov K.I. Fibrous and dispersion-hardened composite materials. //Journal. "Technical  science  and  innovation". 2023. №1 (09), рp. 64-69. https://uzjournals.edu.uz/cgi/submit.cgi?context=btstu  (05.00.00; №16).
3. Alimova Kh., Gulamov A., Avazov K., Umurzakova Kh. Eshmirzaev A. New device and technology for primary processing of silkworm cocoons obtained during different feeding seasons// International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE), ISSN: 2277-3878. Vol.-8 −Issue 5. −2020. −P. 5118−5122.
4. Avazov K.R. Calculation of the temperature regime of the shell of silk cocoons during their thermoradiationdrying // Geliotekhnika. – 2009, № 2.
5. Avazov K.R. Modeling the rate of change in the temperature of the pupa of silk cocoons during their thermoradiation pickling // European Applied Sciences ISSN 2195-2183 ISSN National Center of Germany, №12, 2015.
6. Л.М.Забелоцкий, С.А.Тумаян "Способ переработки отходов натурального шелка в ленту" А.с. № 203530.
7. Патент RU. № 2 011 697.