РАЗРАБОТКА СПОСОБА РАСТВОРЕНИЯ ОТХОДОВ НАТУРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН В ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННЫХ РАСТВОРЯЮЩИХ СИСТЕМАХ

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрен способ получения прядильного раствора из отходов натуральных волокон. Проведены сравнительные исследования, влияния параметров технологических режимов на процесс растворения натуральных волокон в электроактивированных водных растворах. Разработан способ, обеспечивающий получение в электроактивированных водных растворах стабильных прядильных растворов из отходов натуральных волокон при объемной плотности заряда ρ= 0,7-1,1*10^-3 Кл/м³ и при температуре 30-35⁰С. Исследование физико-химических и эксплуатационных свойств данных растворов, показало, что данные растворы с успехом может быть применены в текстильной практике и биоинженерных приложениях.

ABSTRACT

The paper discusses a method for producing a spinning solution from waste natural fibers. Comparative studies have been carried out on the influence of technological parameters in the process of dissolving natural fibers in electrically activated aqueous solutions. A method has been developed that ensures the production of stable spinning solutions from waste natural fibers in electrically activated aqueous solutions at a volumetric charge density ρ= 0.7-1.1*10^-3 C/m³ and at a temperature of 30-35^оC. A study of the physicochemical and operational properties of these solutions showed that these solutions can be successfully used in textile practice and bioengineering applications.

Ключевые слова: натуральные волокна, смеси полимеров, переработка полимеров, прядильные растворы. 

Keywords: natural fibers, polymer mixtures, polymer processing, spinning solutions.

Введение. Разработке способов и ресурсосберегающих технологий вторичной переработке отходов текстильной промышленности, например, кожи, меха  и др., посвящены достаточное количество научных исследований [1-2]. Известны работы, по выявлению возможности применения продуктов вторичной переработки для изготовления готовых изделий, например, в виде компонентов для повышения прочностных свойств швейных ниток из натуральных волокон, при разработке функциональных пакетов с повышенными теплоизоляционными свойствами [3-4]. В связи с этим рациональное использование текстильных отходов имеет важное хозяйственное значение [5-6].  

Результаты исследований. Данная разработка относится к области производства химических волокон, а именно к способу получения раствора для формирования химического волокна из белков и может быть использовано при получении искусственных фиброинсодержащих волокон. Критерием оценки получаемого раствора и, соответственно, разрабатываемого способа может служит возможность в результате использования приемов, действий и участвующих веществ данного способа обеспечить максимальное содержание растворенного фиброина в общем объеме раствора. В работе [7], описан способ получения раствора путем интенсивного перемешивания, предварительно обработанного уксусной кислотой натурального шелка или фиброина в растворе неорганической соли - роданистого натрия при температуре 25-50⁰С. Концентрация соли в растворителе - составляет 60-63 вес % Недостатком является наличие значительного количества гелеобразных частиц в прядильном растворе, что нарушает устойчивость формирования и снижает механические свойства волокна. Использование высокотоксичного вещества (NaSCN), предельно допустимая концентрация, которого в окружающей среде составляет 50 мг/м³, делает практическую реализацию способа затруднительной.

Разработан способ растворения фиброина натурального шелка в водных растворах хлористого цинка (50%) концентрации [8]. Однако, такие растворы обладают недостаточной стабильностью. При использовании концентрированных водных растворов хлористого цинка белковый субстрат шелка полостью растворяется лишь при 120-150⁰С. При этой же температуре неизбежно частично разлагается фиброин и получаются растворы только сравнительно низкой концентрации (4-7%). Их можно применить для поверхностной обработки различных натуральных и химических волокон для образования на поверхности белковой рубашки. Однако формирование волокна из этих растворов невозможно вследствие низкой концентрации и неудовлетворительных реологических характеристик.

Задачей данной разработки является увеличение концентрации фиброина в прядильном растворе за счет повышения растворяющей способности самого растворителя, при пониженной концентрации его компонентов и улучшение условий охраны окружающей среды за счет исключения из растворителя токсичных компонентов.

Поставленная задача решается тем, что  раствор хлористого цинка концентрацией от 9 до 13% смешивают с раствором ледяной уксусной кислоты концентрацией от 3 до 7%,  полученной смесью заполняют катодную камеру диафрагменного электроактиватора с титановым электродом и осуществляют растворение волокнистых отходов шелка, предварительно очищенных от механических примесей, в этой зоне при объемной плотности заряда (ρ=q/v),  ρ= 0,7-1,1*10^-3 Кл/м³ и при температуре смеси 30-35⁰С. Объемную плотность заряда определяли по формуле:

где: q –количество заряда проходящего через жидкость, V –объем жидкости, d –расстояние между электродами, (𝜑₁ – 𝜑₂) –потенциал между клеммами электродов, 𝜀₀ –электрическая постоянная, 𝜀 –диэлектрическая проницаемость среды.

В основу работы положена задача создания способа растворения фиброина натурального шелка, в котором за счет полного растворения фиброина в концентрации большей, и при использовании нетоксичных веществ, обеспечивается получение более вязких растворов фиброина из которых получается волокно с лучшими характеристиками по прочности и удлинению, существенно сокращается время растворения.

Этапы осуществления способа:

1. Подготовка волокнистых отходов шелка к процессу растворения – очистка от механических примесей
2. Подготовка смеси, включающей раствор хлористого цинка концентрацией от 9 до 13% и раствор ледяной уксусной кислоты концентрацией от 3 до 7%.
3. Размещение указанной смеси в катодной камере диафрагменного электроактиватора.
4. Размещение и растворение в указанной смеси подготовленных волокнистых отходов шелка, при объемной плотности заряда ρ= 0,7-1,1*10^-3 Кл/м³ и при температуре смеси 30-35⁰С в течение 40-50 мин.

Процесс растворения электроактиватор предназначается для активирования различных химических процессов. Принципиальная схема электроактиватора представлена на рис.1

Рисунок 1. Принципиальная схема лабораторного электроактиватора

Лабораторный электроактиватор состоит из двух ячеек, сделанных из оргстекла 1 и 2, емкость по 2 л и разделенных между собой перегородкой из диэлектрического материала 3 (керамическая плита). В ячейки погружены электроды анод 4 (для данного способа предпочтительно из титана) и катод 5 (предпочтительно графит, нержавеющая сталь или титан). Электроды соединены с источником питания 6. Снизу ячеек имеются выходы для слива жидкостей. Напряжение регулировалось от 1 до 50 В и силу тока от 0 до 20 А. В катодную зону заливается исследуемая жидкость, а в анодную буферный раствор. Из ледяной уксусной кислоты и хлористого цинка приготовляли раствор различной концентрации (от 3 до 7% и от 9 до 13% соответственно), данным раствором заполнялась катодная камера диафрагменного электроактиватора. Анодную камеру заливали 2% раствор хлористого натрия. Материал катода был подобран экспериментальным путем для получения наилучших результатов данной смеси при наименьших затратах электрической энергии. Выявлено, что оптимальные температуры в пределах от 30 до 35⁰С. Чем ниже концентрация растворов компонентов, тем выше должна быть температура. Затем в катодную камеру загружали навеску волокнистых отходов производства натурального шелка (коконного сдира), включали мешалку и источник питания. Растворение проводили в различных режимах для определения оптимальных параметров процесса. Результаты исследований относительной прочности (ϭ_р, Н/м²) и удлинения (ε,%) волокна, полученного из раствора фиброина, а также его концентрации (с,%) приведены в таблицах 1-2.

Таблица 1.

Влияние концентрации ZnCℓ₂ на свойства раствора фиброина при  концентрации уксусной кислоты – 3%.

Таблица 2.

Влияние объемной плотности заряда на свойства раствора  фиброина и волокна

Примечание: Температура Т=30-35⁰С; концентрация уксусной кислоты-5% , концентрация хлористого цинка - 11%.

Выводы. Выявлено, что при начальной и конечной (после электрохимической обработки) температуре раствора в пределах 30-35⁰С, оптимальными являются концентрация ZnСI₂  в пределах от 10 до 12%, CH₃COOH от 4 до 6%, а объемная плотность заряда ρ= 0,8-1,0 μКл/л. Можно сделать вывод, что разработанный способ позволяет существенно сократить длительность процесса растворения натурального шелка, повысить экономичность процесса, улучшить качество раствора и имеет широкие возможности для его промышленного использования.

Список литературы:

1. Ташпулатов С.Ш., Андреева Е.Г. Теоретические основы технологии изготовления швейных изделий: Учебник. – Ташкент: Наука, 2017. - 215 с.
2. Кокеткин П.П. Одежда: технология-техника, процессы-качество: Справочник / Кокеткин П.П. - М.: МГУДТ, 2001. - 560 с.
3. Tashpulatov S.Sh., Norboeva R.H., Cherunova I.V. Actual problems of ensuring strength of fluid compounds from cotton thread in sewing items by the import substitution program // International Journal of European science review, ISSN 2310-5577, Vienna,  11-12 (2019), November-December, Vol. 12, p.p.129.
4. Норбаева Р.Х., Эгамбердиев Ф.О., Ташпулатов С.Ш. Пути повышения прочностных свойств швейных ниток и ниточных соединений в текстильных материалах // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2023. 9(114). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/16002
5. 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.
6. Islamov B.Kh., Tashpulatov S.Sh., Vahobov K.I. Fibrous and dispersion-hardened composite materials. // "Technical  science  and  innovation". 2023. №1 (09), рp. 64-69. https://uzjournals.edu.uz/cgi/submit.cgi?context=btstu .
7. Хамраев Н.Л., Геллер Б.Э., Закиров И.3."Способ получения раствора для формирования фиброиновых волокон". А.с. № 601328, 1978г.
8. Аширов П.М., Ли.А.Е. Способ получения фиброинсодержащего полиакрилонитрильного волокно. А.с. № 395526, 1970г.