Коллаген – компонент композиции для огнезащитной обработки текстильных материалов

Коллаген – один из наиболее распространенных природных белков, составляет основную массу шкуры животных. Выделение коллагена и его использование является одним из методов рациональной утилизации отходов сырой кожи. При этом из коллагенсодержащей композиции можно получить ценный целевой продукт [2; 4; 5], в том числе композицию для огнезащитной обработки текстильных материалов [3]. Текстильные материалы, в основе которых лежат природные или химические органические полимерные волокна, легковоспламеняемы, быстро распространяют пламя и реально могут являться источниками возгорания [1]. Обработка текстильных материалов специальным огнезащитным составом снижает их пожарную опасность. Наибольший положительный эффект достигается при химическом закреплении огнезащитных составов с волокнами материала.

Целью данной работы является определение режимов выделения коллагена из шкуры животных, получение и испытание новых огнезащитных композиций на его основе.

Результаты и их обсуждение. Для удаления шерсти и эпидермического слоя шкуру обработали известковым молочком. Удалив шерсть, кожу тщательно промыли водой, разрезали на куски по 2-3 мм и оставили на сутки в растворе щелочи для набухания. Растворение коллагена производилось в сушильном шкафу при температуре 50^оС с периодическим перемешиванием содержимого сосуда. Полученный раствор просеивали через сито с размерами ячеек менее 0,3 мм, затем нейтрализовали уксусной кислотой до pH=7-7,5. Исследовано влияние концентрации щелочи (NaOH) и начальной массы коллагена на время растворения и массовую долю коллагена в полученном растворе (табл. 1). После испарения воды из раствора образуется липкая, прозрачная масса, растворимая в воде. При обработке этой массы этанолом, фильтрации и высушивании образуются твердые кусочки коллагена.

 Таблица 1.

Зависимость времени растворения и массовой доли коллагена в полученном растворе от концентрации щелочи (масса раствора щелочи 50 г, температура растворения 50^оС)

Как видно из данных табл. 1, получены адекватные зависимости: с увеличением концен­трации щелочи уменьшается время растворения коллагена, с увеличением начальной массы коллагена время растворения увеличивается. Массовая доля коллагена в полученном растворе также зависит от концентрации щелочи, но в большей степени от начальной массы коллагена. При увеличении концентрации щелочи возрастает вероятность гидролиза белковых макромолекул с образованием низкомолекулярных фракций, соответственно, уменьшается массовая доля коллагена и вязкость раствора (рис. 1).

При повышении температуры уменьшается время растворения и степень растворения коллагена от исходной массы. В случае высокой концентрации щелочи и при повышенных температурах коллаген становится хрупким, видимо, из-за более глубокого гидролиза и возрастания доли низкомолекулярных фракций. Исследована зависимость вязкости раствора коллагена от концентрации щелочи и температуры растворения (рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость относительной вязкости раствора коллагена от концентрации NaOH (а) и температуры (б)

Как видно из рис. 1, при увеличении концентрации NaOH вязкость раствора коллагена резко уменьшается. Повышение температуры также приводит к значительному уменьшению вязкости растворов. Образцы коллагена, полученные при концентрации щелочи более 5% и температуры более 60°С, оказались механически непрочными и хрупкими. Поэтому в дальнейшем растворение коллагена шкуры осуществляли 2-3%-ным раствором гидроксида натрия при температуре 50°С.

Коллаген в виде 10%-ного водного раствора использован в составе композиции для огнезащитной обработки текстильных материалов. Хлопчато­бумажную ткань обработали антипиреновыми веществами, содержащими негорючие при температуре горения газы (коллаген, борная кислота, карбамид и полиакриламид), а также веществами, образующими защитные пленки (акриловая эмульсия). Полиакриламид и коллаген, обладающие антипиреновыми свойствами, выполняют функцию пленкообразующего полимера. При испытании обработанной композицией антипиреном ткани она не подверглась горению при воздействии огня, наблюдалось лишь тление материала.

Исследована зависимость огнестойкости материала от состава композиции (табл. 2).

Таблица 2.

Зависимость огнестойкости ткани от состава композиции для огнезащитной обработки

Как видно из данных таблицы 2, увеличение количества антипиренов приводит к повышению огнестойкости материала. При этом основным огнестойким компонентом оказался коллаген, особенно при совместном использовании с раствором полиакриламида.

Через определенное время после стирки и сушки ткань загорелась при воздействии огня. Это показало, что не разработан универсальный метод нанесения композиции, обеспечивающей устойчивость ее к влажной обработке и физико-механическим воздействиям в процессах эксплуатации. В целях сохранения огнестойкости при хранении и эксплуатации ткани было запланировано проведение исследований по их предварительной обработке несколькими методами. Текстильный материал предварительно был обработан раствором щелочи, сульфата натрия, поверхностно-активного вещества ОП-10, разбавленным раствором соляной кислоты.

Обработка осуществляется в следующей технологической последовательности: Пропитка (согласно выбранной смеси), Т=20-25°С, время – 30-60 секунд. Отжим – 80-90%. Промывка (в чистой холодной воде), затем отжим (до остатка влаги 5-10%). Сушка при 60-80°С, время 10-15 минут.

После проведенных процессов предварительной подготовки ткани были пропитаны огнезащитной композицией одинакового состава. В составе композиции содержались коллаген, акриловая эмульсия, полиакриламид, карбамид, борная кислота. С целью оценки влияния предварительной обработки ткань подвергалась воздействию прямого огня.

Результаты испытаний убедительно показывают преимущества или несостоятельность того или иного метода предварительной обработки. Обработка раствором сульфата натрия и поверхностно-активного вещества мало влияют на огнестойкость ткани. Обработка раствором соляной кислоты вообще неприемлема – ткань разрушается после обработки. Положительный результат дает обработка раствором гидроксида натрия. Некоторые образцы после стирки не возгораются даже при длительном воздействии прямого огня.

Выводы. Выделение коллагена из сырой кожи осуществляется выдерживанием кусков очищенной от шерсти шкуры животных в 2-3%-ном растворе щелочи до набухания, дальнейшего растворения при нагревании, фильтрации и нейтрализации уксусной кислотой. Раствор коллагена может быть успешно использован в составе огнезащитной композиции текстильных материалов.