Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• 1. Строение и свойства шерстяного волокна
• 2. Технология плазменной обработки шерстяного волокна
• 2.1 Экологические аспекты подготовки шерстяного сырья
• 2.2 Механизм воздействия низкотемпературной плазмы на волокно
• 2.3 Эффекты плазменного воздействия на шерстяное волокно
• Заключение
• Список литературы

Введение

Изделия из шерстяного волокна пользуются большим спросом в не только в быту, но и в различных отраслях народного хозяйства. Но на российском рынке преобладают импортные изделия низкого качества. Чтобы повысить конкурентоспособность отечественной продукции требуется совершенствовать технологии изготовления шерстяных изделий и подготовки сырья, а также, по возможности, снизить себестоимость производства.

Основным направлением расширения и улучшения физико-механических свойств текстильных материалов на основе шерстяных волокон является модификация волокна на стадии переработки сырья, формирования волокон, крашения и аппретирования.

Рассматриваемая в данной работе технология предварительной обработки шерстяного волокна высокочастотной плазмой низкого давления позволяет значительно улучшить его физико-механические свойства. Применение данной технологии снижает потребности в химикатах и воде, а также позволяет сократить затраты времени на предварительную обработку сырья.

Цель работы: изучить ресурсосберегающие технологии в легкой промышленности на примере технологии обработки шерстяного волокна низкотемпературной плазмой низкого давления.

Задачи:

- изучить строение и свойства шерстяного волокна, влияющие на его технологические и потребительские качества;

- Изучить технологию плазменной обработки шерстяного волокна, рассмотреть ее механизм, получаемые эффекты и достоинства метода.

1. Строение и свойства шерстяного волокна

Шерсть - совершенно особое текстильное волокно, обладающее уникальной химической и физической структурой. Из существующих в природе волокон, шерстяное волокно имеет наиболее сложную структуру, что позволяет создавать из шерсти весь ассортимент текстильных материалов - от самых легких и тонких камвольных тканей до очень тяжелых ковров и плотных фетров.

Шерстяное волокно представляет собой волосяной покров животного. Волос является натуральным кератино-содержащим высокомолекулярным материалом со сложной морфологической пористой структурой. Волокно имеет форму, близкую к цилиндрической. Шерстяное волокно может иметь три слоя: чешуйчатый, корковый и сердцевидный (рис.1) [11].

Рисунок 1 - Строение шерстяного волокна: 1 - альфа-спираль; 2 - протофибриллы; 3 - микрофибриллы; 4 - матрикс; 5 - макрофибриллы; 6 - клетка кортекса; 7 - ортокортекс; 8 - паракортекс; 9 - эпикутикула; 10 - экзокутикула; 11 - эндокутикула; 12 - кутикула

Чешуйчатый слой волокна состоит из тончайших роговидных пластинок (чешуек), образующих внешний покров волокна. Чешуйчатый слой характеризуется большой механической прочностью и химической устойчивостью, предохраняет внутренние слои волокна от атмосферных и механических воздействий. Размеры, форма и характер взаимного расположения чешуек зависят от вида шерсти (тонкая и грубая) и влияют на многие технологические и эксплуатационные свойства волокна. Корковый слой располагается непосредственно под чешуйчатым, образует основное тело и обусловливает основные свойства волокна. Этот слой состоит из двух видов клеток - ортокоры и паракоры, расположенных в виде двух сегментов, переплетающихся по всей длине волокна. Клетки ортокоры характеризуются высокой реакционной способностью, что объясняется большим содержанием цистина и более развитой общей поверхностью клеток. Участки паракоры имеют более плотную упаковку, что способствует их большей химической стабильности. Сердцевидный слой расположен в центре волокна и состоит из клеток различной формы, между которыми находится воздух.

К свойствам шерстяного волокна, влияющим на его технологические и потребительские качества относятся длина, толщина, извитость, разрывная прочность, упругость, гигроскопичность, свойлачиваемость, усадка, устойчивость к действию кислот, щелочей, УФ-излучения [11, 18].

Длина шерсти колеблется в широких пределах и зависит от вида и породы животного. Тонина (толщина) шерсти является весьма важным показателем ее качества. В отличие от всех других натуральных волокон этот показатель в шерсти колеблется в очень широких пределах: от 10 до 160 мкм. Такие колебания в тонине объясняются различиями в породе овец и их индивидуальными особенностями.

Лучшей является более тонкая шерсть. Наряду с этим для шерстяных волокон важна также равномерность по длине. Из тонких и равномерных по длине волокон получают пряжу более тонкую, гладкую и прочную.

Извитость волокон шерсти характеризуется количеством из витков на единицу длины. В отличие от хлопковых волокон, имеющих штопорообразную извитость, шерстяным волокнам присуща волнообразная извитость. Чем тоньше волокно, тем больше его извитость.

Прочность шерстяных волокон по сравнению с другими натуральными волокнами ниже. Разрывная нагрузка колеблется от 4 до 8гс/волокно. Предел прочности пуха 20-25 кгс/мм 2, ости - 15-18 кгс/мм 2. В мокром состоянии прочность шерстяных волокон снижается примерно на 30%.

Шерстяные волокна обладают хорошей упругостью. При нагрузке, равной 30-40% разрывной, удлинение полностью обратимо. Благодаря высокой упругости изделия из шерсти являются несминаемыми и обладают высокой износоустойчивостью.

Гигроскопичность шерсти в нормальных условиях составляет 13-15%; при высокой относительной влажности воздуха (85-90%) шерстяные волокна поглощают до 40-50% влаги, оставаясь при этом сухими на ощупь.

В воде шерстяное волокно набухает. При этом увеличивается площадь поперечного сечения на 30-35% и длина на 1-2%. В мокром состоянии изменяются прочность и удлинение шерстяных волокон. Под действием горячей воды и натяжения происходит структурное изменение волокна шерсти: кератин легко переходит из б- в в-модификацию.

К действию кислот шерстяные волокна являются весьма стойкими. При обработке шерстяных волокон разбавленными растворами кислот без подогрева наблюдается некоторое повышение их прочности. Не отражается заметно на прочности шерсти также кратковременная обработка ее концентрированной (до 80%) серной кислотой. Это свойство шерстяных волокон используется при очистке шерсти или изделий из нее от растительных примесей.

К действию щелочей шерстяные волокна нестойки. Даже слабые растворы едких щелочей заметно снижают прочность, а при подогреве, и особенно кипячении, легко растворяют волокно шерсти.

Под действием света волокно шерсти разрушается. Процесс разрушения сопровождается образованием двуокиси серы и серной кислоты, что свидетельствует о разрушении цистиновых мостиков. По сравнению с хлопком и льном шерстяное волокно более стойко к действию света.

Усадка - свойство волокон укорачиваться в результате влажно-тепловой обработки. Свойлачиваемость или валкоспособность - свойство, присущее лишь шерстяным волокнам. Под свойлачиванием понимают способность шерстяных волокон в результате механических и физико-химических воздействий перемещаться, сближаться и переплетаться. Свойлачиваемость объясняется чешуйчатым строением шерсти и хорошей упругостью волокон. Благодаря чешуйчатому строению изделия из шерстяных волокон сохраняют форму, приданную им в процессе валки [18].

2. Технология плазменной обработки шерстяного волокна

2.1 Экологические аспекты подготовки шерстяного сырья

Характерной особенностью материалов, используемой в легкой промышленности, является их волокнистая капиллярно-пористая структура. В процессе 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.

Добиться улучшения технологических и эксплуатационных характеристик изделий из шерстяных текстильных материалов возможно за счет модификации механических и физических свойств волокна [3].

Традиционные методы модификации поверхности изделий текстильной, кожевенно-меховой 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 [2].

Большую часть процессов подготовки составляют жидкостные с применением значительного количества воды и химических веществ. Как следствие, образуется большое количество загрязненных стоков. Также данные методы обработки требуют больших затрат электроэнергии и времени, и негативно влияют на здоровье работников [19].

2.2 Механизм воздействия низкотемпературной плазмы на волокно

шерстяной волокно плазма текстильный

Низкотемпературная плазма представляет собой состояние ионизированного газа с достаточно высокой степенью ионизации (10-8-10-6). Приобретенная под действием приложенного внешнего электрического поля энергия (1-10эВ) свободных электронов расходуется ими в результате упругих и неупругих столкновений с нейтральными тяжелыми частицами газа, передача энергии которым приводит к образованию различного рода новых компонентов газовой среды: метастабильных частиц, атомов, ионов, свободных радикалов резонансного излучения [5].

Совокупность разнообразных по химической активности, энергии и проникающей способности частиц делает низкотемпературную плазму мощным инструментом модификации свойств материалов.

Суть происходящих явлений, вызывающих модификацию материалов и приводящих к улучшению их технологических и потребительских свойств заключается в следующем. В ионизированном газе наблюдается широкий спектр процессов, активными участниками которых являются ускоренные электроны, кванты резонансного излучения (УФ-, г- и рентгеновское излучение), заряженные частицы, нейтральные атомы и молекулы в различных электронно-возбужденных состояниях, свободные радикалы [5].

При взаимодействии плазменного потока с капиллярно-пористым волокнистым материалом основное влияние на модификацию его свойств оказывают два параллельных процесса: рекомбинация ионов, передача энергии, приобретенной ионами в слое пространственного заряда. Данные процессы имеют место не только на поверхности материала, но и внутри пористого объема за счет зажигания в нем несамостоятельного заряда. При этом внешняя поверхность высокомолекулярных материалов модифицируется за счет рекомбинации ионов и передачи энергии ионной бомбардировкой, а внутренняя поверхность пор и капилляров за счет рекомбинации ионов [15].

Возрастание дозы плазменного воздействия может вести к увеличению глубины модифицированного слоя. В этом слое образуются и разрушаются функциональные группы, происходит разрыв химических связей и молекулярных цепей с образованием свободных радикалов, двойных связей и выделением низкомолекулярных газообразных продуктов, уносящих часть вещества материала - травление [5].

Воздействие низкотемпературной плазмы на структуры кератинсодержащих материалов проявляется в повышении степени упорядоченности в укладке третичных структур белков кератина благодаря нарушению естественных поверхностных оболочек фибрилл; происходит изменение взаимной компоновки фибриллярных наноструктур, что приводит к изменениям микроструктуры материалов и развитию мезопористости; нарушение оболочек и мембран микроструктуры способствует снятию внутренних напряжений в структуре и перераспределению макропористости материала; развитие поверхности отдельных макрокомпонентов материала позволяет повысить проницаемость структуры для обрабатывающих сред. При НТП обработке происходит травление кутикулы волоса, частичное удаление выступающих краев кутикулярных клеток и вскрытие гидрофильных областей кутикулярного матрикса [8].

На рисунке 2 представлена схема установки для плазменной обработки материалов, разработанной в Казанском государственном технологическом университете [16].

Способ обработки шерсти, запатентованный учеными КГТУ, заключается в следующем. Мытую, высушенную шерсть укладывают в полипропиленовые мешки и помещают в вакуумный блок между двумя параллельно расположенными электродами высокочастотного напряжения и плазмообразующего газа (аргона) в течение 180 с. Производится предварительная откачка воздуха из вакуумной камеры (2) системой откачки (4). В вакуумной камере (2) создается рабочее давление 33 Па. В качестве источника питания используют высокочастотный генератор (8) с частотой 13,56 МГц, с плотностью ионного тока в оптимальном режиме 0,6 А/м 2. При подаче с высокочастотного генератора (8) на электроды высокочастотного напряжения в межэлектродном промежутке под действием электромагнитного поля газ ионизируется и возникает плазма, которая и является средством обработки.[16]

Рисунок 2 - Высокочастотная плазменная установка: 1 - система газоснабжения, 2 - вакуумная камера, 3 - электроды, 4 - система откачки, 5 - вакуумный блок, 6 - разрядная камера, 7 - система охлаждения, 8 - высокочастотный генератор, 9 - вакуумный трубопровод.

Изменяя режимы обработки можно регулировать получаемые свойства материалов.

2.3 Эффекты плазменного воздействия на шерстяное волокно

Изменение физико-механических и физических свойств при воздействии ВЧ-плазмы пониженного давления на натуральные капиллярно-пористые материалы происходит без нарушения их химического состава. Причиной изменения свойств ВМС является разделение волокнистой структуры, повышение однородности поверхности, увеличение упорядочения волокнистой структуры [10, 13].

Плазменная обработка шерстяного волокна способствует уменьшению рельефности волокон шерсти, что приводит к росту силы их сцепления и увеличению разрывной нагрузки шерстяной ленты в 1,2-1,8 раза, Снижается обрывность в прядении в 2-3 раза [1, 5, 8].

Сглаживание чешуйчатого слоя изменяет фрикционные свойства волокна, увеличивает их сцепляемость в структуре ткани, которая препятствует их миграции относительно друг друга. Это позволяет существенно снизить усадку от свойлачиваемости и влажно-тепловых обработок. Последнее обстоятельство имеет важное практическое значение для потребителей текстильной продукции, поскольку сохраняет размеры изделий, в процессе эксплуатации, повышает их формоустойчивость [2, 5, 19].

Плазменная обработка способствует удалению с поверхности мытой шерсти остаточного жира, почвенных примесей, щелочи используемой в процессе промывки, увеличению смачиваемости волокон в 1,5-2,0 раза, что приводит к повышению сорбционно-дифузионных характеристик, которыми определяется возможность проникновения влаги внутрь волокна. Водопоглощение шерстяных волокон повышается от 4,5 до 8,5 раз. В результате потребность в дорогостоящих моющих средствах и красителях сокращается на 25-30% и 10-15%, повышается равномерность и интенсификация жидкостных обработок, сокращается время, затрачиваемое на данные процессы [5, 6, 13, 17].

Значительно улучшаются и адгезионные свойства шерстяных волокон за счет повышения гидрофильности, которые находят применение при создании текстильных материалов склеиванием [5, 12].

Еще одним несомненным преимуществом плазменного воздействия на текстильные и иные полимерные материалы является возможность их стерилизации [14].

Применение плазменной обработки шерсти позволяет не только улучшить ее свойства, но повысить экологичность производства, улучшить. Интенсификация и ускорение жидкостных процессов сокращает расход энергии, воды и реагентов, и, как следствие, уменьшает количество загрязненных сточных вод, что также влечет за собой сокращение ресурсов, затрачиваемых на очистку стоков.

Заключение

По результатам данной работы можно сделать следующие выводы:

- Шерсть представляет собой природное волокно сложного строения.

- Свойствами, влияющими на технологические и потребительские качества шерстяного волокна, являются длина, толщина, разрывная прочность, водопоглощение, устойчивость к действию кислот, щелочей и УФ-излучения, усадка и свойлачиваемость.

- Традиционные процессы первичной подготовки шерсти имеют ряд недостатков, таких как невозможность комплексного улучшения свойств волокна, высокое ресурсопотребление, опасность для окружающей среды и здоровья персонала.

- Модификация физико-механических свойств шерстяного волокна, происходит за счет взаимодействия с разнообразными частицами, образующимися в плазме под действием внешнего электрического поля, что приводит к рекомбинации ионов на его поверхности и в порах.

- Обработка шерсти низкотемпературной плазмой повышает ее прочность и гидрофильность, уменьшает свойлачиваемость и величину усадки, улучшает адгезионные и гигиенические свойства.

- Достоинствами плазменного метода обработки являются комплексное улучшение свойств шерстяного волокна, экономия сырьевых и энергетических ресурсов, отсутствие вредного воздействия установки на обслуживающий персонал и окружающую среду.

Список литературы

1. Абдуллин И.Ш. и др. Исследование повышения прочности шерсти в результате обработки потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления // Текстильная промышленность. - № 4, 2010. - с. 54-57

2. Абдуллин И.Ш., Хамматова В.В., Слепнева Е.В. Поток плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления как инструмент модификации материалов // Сборник материалов XXXIX Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. - Звенигород, 2012

3. Абуталипова Л.Н., Абдуллин И.Ш., Гришанова И.А., Азанова А.А. Газоразрядная модификация текстильных волокон, нитей и тканей. - Казань: изд-во КНИТУ, 2012. - 25 с.

4. Азанова А.А. Модификация мехового полуфабриката за счет обработки исходного сырья плазмой ВЧЕ-разряда. Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Казань, 2003

5. Акулова М.В., Мельников Б.Н., Федосов С.В., Шарнина Л.В. Применение тлеющего разряда в текстильной и строительной промышленности. - Иваново: изд-во ИГТУ, 2008. - 232 с.

6. Вознесенский Э.Ф. Теоретические основы модификации структуры материалов кожевенно-меховой промышленности в плазме высокочастотного разряда пониженного. Автореферат дисс. докт. техн. наук. - Казань, 2011

7. Джанбекова Л.Р., Абдуллин И.Ш., Гимадитдинов Р.Н. Применение высокочастотной плазмы пониженного давления для модификации нетканых материалов // Сборник материалов XXXVI Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. - Звенигород, 2009

8. Желтухин В.С., Абдуллин И.Ш., Шаехов М.Ф. Объемная модификация капиллярно пористых и волокнистых материалов в высокочастотном разряде пониженного давления // 5-й Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии: Сборник материалов. Т.2. - Иваново, 2008

9. Желтухин В.С., Бородаев И.А., Джанбекова Л.Р. Математическая модель взаимодействия ВЧЕ-плазмы пониженного давления с неткаными материалами // Сборник материалов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. - Звенигород, 2013

10. Журавлева С.М. Совершенствование и теоретическое обоснование технологии подготовки шерстяных тканей с использованием низкотемпературной плазмы. Автореферат дисс. канд. техн. наук. - М., 2000

11. Инновационный проект: Организация производства шерстяного волокна с модифицированной наноструктурой за счет применения неравновесной низкотемпературной плазмы // Сборник материалов ХII петербургский международного экономического форума. - СПб, 2008

12. Кумпан Е.В. Модификация текстильных материалов из шерстяных и синтетических волокон с помощью высокочастотной плазмы пониженного давления. Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Казань, 2006

13. Кутепов A.M., Захаров А.Г., Максимов А.И., Титов В.А. Плазменное модифицирование текстильных материалов: перспективы и проблемы // Российский химический журнал. - т. XLVI, № 1, 2002. - с.103-115

14. Мекешкина-Абдуллина Е.И. Влияние воздействия низкотемпературной плазмы на стойкость к биологической и атмосферной коррозии натуральных высокомолекулярных соединений. Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Казань, 2002

15. Мекешкин-Абдуллин А.С. Модификация натуральных капиллярно-пористых материалов легкой промышленности с помощью высокочастотной плазмы пониженного давления. Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Казань, 2002

16. Патент на изобретение РФ № 2378422. Способ обработки шерсти/ Абдуллин И.Ш., Хамматова В.В., Шаехов М.Ф. и др. - Заявл. 24.03.2008. - Опубл. 10.01.2010

17. Слепнева Е.В., Абдуллин И.Ш., Хамматова В.В. исследование влияния плазменной обработки на степень белизны шерстяных волокон в процессе их первичной обработки материалами // Сборник материалов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. - Звенигород, 2013

18. Товароведение промышленных товаров. Текстильные, швейные, трикотажные ткани и товары [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://govservices.kg/textiles/fiber/13-svoystva-sherstyanyh-volokon.html, свободный. - Загл. с экрана

19. Шарнина Л.И. Научные основы и технологии отделки текстильных материалов с использованием низкотемпературной плазмы, новых препаратов и способов колорирования. Автореферат дисс. докт. техн. наук. - Иваново, 2006

Размещено на Allbest.ru