Методы модификации натуральных полимеров

УДК 677.312.3

Б. И. Измайлов

МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ НАТУРАЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Ключевые слова: шерстяные волокна, модификация, кутикула, свойлачивание, разрвная нагрузка.

Рассмотрены современные методы химической и электрофизических методов модификации шерстяных волокон, а также изменения показателей свойств модифицированных волокон.

Keywords: wool fibers, modification, cuticle, felting, razrvnaya load.

Modern methods of chemical and electrical modification techniques wool fibers, as well as changes in performance properties of the modified fibers.

В настоящее время одной из основных задач, стоящих перед отечественными предприятиями текстильной промышленности является улучшение качества выпускаемых ими продукции. Добиться этого возможно за счет модификации натуральных полимеров на первичных стадиях их переработки. Одним из натуральных полимеров, уступающих по своим характеристикам импортным аналогам, является шерстяное сырье.

Волокна шерсти отличаются тем, что, обладают характерной текстурой, биологически разлагаемы, обладают превосходной влагопоглощающей способностью, высвобождением влаги, сохранением тепла, замедлением горения и способностью к окрашиванию, и дополнительно обладают водоотталкивающей способностью. Шерстяные волокна обладают характеристиками прочности и эластичности, достаточными для носки, а также высокой фрикционной прочностью. Однако свойлачивание, которое происходит при стирке волокна из-за структуры эпидермальной ткани волокна, и отслаивание при ношении волокон шерсти являются отрицательными характеристиками его использования в одежде. Модификации поверхности волокна фокусируется, в основном, на придании противоусадочных свойств.

Решение данной проблемы предложено авторами [1], которые предлагают химическую модификацию эпидермальной ткани шерстяного волокна. Модификация осуществляется в три стадии.

На первой стадии проводится предварительное окисление цистиновой связи в клетке эпидермиса шерстяного волокна для приведения её в состояние низкого окисления. Цистиновую связь приводят в моноокисленное состояние (-SO-S-) или в состояние двойного окисления (-SO2-S-) или в смешанное состояние, включающее эти формы.

Примеры окислителей, предпочтительных для предварительного окисления, включают надсер-ную кислоту, надуксусную кислоту, надмуравьиную кислоту, нейтральные и кислые соли этих надки-слот, перманганат калия и пероксид водорода. Их можно использовать отдельно или в сочетании из двух или более их числа. Особенно предпочтительным окислителем является вторичный кислый персульфат калия.

На второй стадии предварительно окисленную связь подвергают окислению до достижения одного или большего числа состояний высокой

степени окисления из двойного, тройного и четвертичного окисления. Состояние высокой степени окисления относится к состоянию, включающему форму двойного окисления, тройного окисления (-SO2-SO) или четвертичного окисления (-SO-SO2-), или смешанное состояние, включающее эти формы. Известно, что сложно разорвать связь в моно-окисленном состоянии восстановителем, и это занимает продолжительный период времени, но связь в состоянии двойного окисления, тройного окисления или четвертичного окисления расщепляется относительно легко, поэтому связь приводят преимущественно в состояние двойного окисления, тройного окисления или четвертичного окисления.

На второй стадии озон подают в виде микропузырьков в водный раствор, содержащий анионное поверхностно-активное вещество (ПАВ), которое имеет ^-24 алкильную группу. ПАВ устойчиво к воздействию озона и пригодно для микродиспергирования озона. Озон после диспергирования в виде микропузырьков обладает повышенной химической активностью при взаимодействии с волокном шерсти, и существует малая вероятность свойлачивания при стирке его в водной системе. Это обеспечивает возможность сокращения продолжительности выдерживания в погруженном состоянии шерсти в водном растворе, содержащем озон. Соответственно, экзоку-тикулярная часть слоя предпочтительно и быстро окисляется озоном до достижения состояния высокой степени окисления. Количество анионного ПАВ, присутствующего в водном растворе, предпочтительно находится в диапазоне от 0,01 масс.% до 0,1 масс.%, обеспечивающего стабильную обработку.

Необходимо содержание в анионном ПАВе по меньшей мере одной соли щелочного металла гидрофильной группы, выбранной из сульфоновой кислоты (RSO3H), карбоновой кислоты (R-COOH), сложного эфира серной кислоты и спирта (R-OSO3) и сложного эфира фосфорной кислоты (RO-P(O)(ORl)(OX), где: R означает алкильную группу; Rl означает алкильную группу или атом водорода; X означает атом водорода. Диаметр

пузырьков озона находится в диапазоне от 0,5 до 3,0 мкм. Предпочтительное истинное количество озона, подаваемого к волокну, составляет от 1,5 до 4% массы волокна.

Третья стадия заключается в восстановительном расщеплении связи в состоянии двойного

окисления, тройного окисления или четвертичного окисления. Например, в качестве восстановителя можно использовать соль сернистой кислоты. Волокно шерсти подвергают восстановительной обработке для расщепления цистиновой (-8-8-) связи, уменьшения плотности цистиновых поперечных связей экзокутикулярного слоя, активирования набухания, ожижения и солюбилизации в воде, и частичного удаления протеина из волокна.

Плотность цистиновых поперечных связей экзокутикулярного слоя уменьшают посредством осуществления предварительного окисления, окисления озоном (высокой степени окисления) и восстановительной обработки солью сернистой кислоты для достижения набухания в воде, сравнимого с набуханием эндокутикулы, и исключения поведения, подобного поведению биметаллической пластинки, между экзокутикулярным слоем и эндоку-тикулярным слоем. Таким образом, исключая подъема вверх краев чешуек при погружении в воду волокна шерсти и усадки. Поскольку эпикутикуляр-ный слой и слой тиоэфира эйкозановой кислоты, которым покрыта поверхность эпикутикулярного слоя, сохраняются, то обеспечивается высокая степень стойкости к усадке без ухудшения водоотталкивающей способности. Так как сохранены чешуйки на волокне, сопротивление из-за трения, возникающего при вытаскивании одного волокна, выше сопротивления из-за трения волокон, обработанных с использованием способа придания противоуса-дочных свойств, при котором чешуйки удаляют, или с использованием способа придания противоуса-дочных свойств, при котором чешуйчатую поверхность покрывают смолой и, таким образом, сдерживают перемещение волокон, получая незначительное отслаивание.

Волокно шерсти, полученное в соответствии с данным методом модификации, в частности, сохраняет присущую ему от природы превосходную водоотталкивающую способность и обладает очень высокой стойкостью к усадке и стойкостью к отслаиванию.

Для производства шерстяной и полушерстяной пряжи необходима гребенная лента, состоящая из высококачественных шерстяных волокон. Для этого разработан метод модификации шерстяных волокон в процессе первичной обработки шерсти с применением поливинилового спирта. Авторы [2] предлагают заключительную промывку волокна проводить водным раствором, содержащим 2-15 мас.% поливинилового спирта, который представляет собой продукт щелочного омыления поливинил-ацетата.

В процессе промывки шерстяного волокна водным раствором моющих средств происходит удаление жиров и других адсорбированных молекул, различных газов и веществ. Заключительная промывка шерстяного волокна водным раствором, содержащим 2-15 мас.% поливинилового спирта (ПВС) очищает поры на поверхности волокна от адсорбированных поверхностно -активных веществ, которые способствуют разрыву волокон, изменяют структуру поверхности волокна.

Методами растровой электронной микроскопии (РЭМ), физико-химического анализа, механических испытаний изучена структура поверхности волокна, обработанного раствором ПВС, и установлено увеличение микрорельефа поверхности волокна и увеличение общего объема очищенных пор. Исследования показали, что поверхность обработанного волокна обладает более развитым микрорельефом, что приводит к увеличению сцепляемо-сти волокон и упрочнению волокна, следствие чего упрочняется и гребенная лента.

Предлагаемый метод дает возможность получить волокно, сформированное в непрерывную гребенную ленту, состоящую по структуре из продольно-ориентированных упрочненных волокон, стабильную по свойствам, с повышенными прочностными характеристиками, увеличенным выходом гребенной ленты из смеси волокон и пониженным количеством выделяющихся отходов.

Гребенная лента из шерстяного волокна, полученная предложенным методом, обладает увеличенной разрывной нагрузкой до 1844,5 сН, пониженной неровнотой до 9,8%, отходы при кардо- и гребнечесании существенно снижены что ведет к увеличению выхода гребенной ленты до 6%. У гребенной ленты, полученной предлагаемым способом, улучшились качественные показатели, она имеет хорошую ровноту, практически исчезли дефекты, пушение, намоты, обрыв ленты.

Существенным недостатком является ухудшение экологической составляющей производства первичной обработки шерсти.

Одним из перспективных методов модификации шерстяного сырья является применение плазменных технологий, в частности, применение низкотемпературной плазмы пониженного давления. Модификация низкотемпературной плазмой приводит к конформационным изменениям волокон шерсти, что способствует снятию стерических и снижению активационных барьеров. Конформационные изменения макромолекул волокон шерсти, приводит к усилению водородных связей между аминогруппами и гидроксилами боковых цепей а-спирали и амино-кислотными остатками матрикса, что способствует уплотнению надмолекулярной структуры шерстяных волокон, в результате чего происходит их усадка. Плазменная обработка шерстяного сырья способствует осуществлению полной усадки шерстяных волокон. Это приводит к стабилизации размеров волокна. У контрольных образцов, напротив, на последующих стадиях жидкостной обработки происходит значительное изменение линейных размеров волокон [3].

Методом растровой электронной микроскопии установлено, что происходит сокращение слоя эпикутикулы и большей части экзокутикулы. Анализ микрофотографий показал, что фибриллы орто-кортекса уложены плотно, без четких матричных пространств, матрикс сосредоточен на отдельных участках [4]. Этим обусловлено повышением про-

ницаемости кутикулы и увеличением гидрофильно-сти волокон на 40%.

В процессе ее модификации шерстяных волокон происходит структурирование кератина, упорядочение структуры и увеличение кристаллической фазы, что приводит к увеличению показателя разрывной нагрузки модифицированных волокон в пределах 30% [5].

Таким образом, на основе теоретических исследований современных методов модификации натуральных полимеров, в частности шерстяных волокон, установлено, что существенным недостатком химических методов является ухудшение экологической составляющей процесса. Модификация с использованием плазменных технологий приводит к существенному улучшению показателей свойств волокон, и осуществляется без ухудшения экологической обстановки технологического процесса.

Литература

1. Пат. 2488652 Российская Федерация, МПК7 Б 06 М 11/34, Б 06 М 13/02, Б06 М 13/256. Способ изготовления модифицированного волокна животного происхождения [Текст] / Тагаки А., Кацуен С., Осимо К. (Япония); заявитель и патентообладатель Курасики Босеки

Кабусики Кайся (Япония). - № 2012105009/05 заявл. 23.06.2010; опубл. 27.07.2013, Бюл. № 21. - 26 с.: ил.

2. Пат. 2490377 Российская Федерация, МПК7 Б01 С 3/00, Б 06 М 13/144. Способ обработки шерстяного волокна [Текст] / Разумеев К.Э., Петровский А. Д., Кудрявцева Т. Н.; заявитель и патентообладатель Минпроторг России. - № 2011112643/12 ; заявл. 04.04.2011 ; опубл. 20.08.2013, Бюл. № 28. - 6 с. : ил.

3. Слепнева, Е.В. Исследование влияния низкотемпературной плазмы на усадку шерстяных волокон в процессе их первичной обработки [Текст] / Е.В. Слепнева, И.Ш.Абдуллин, В.В. Хамматова // Вестник Казанского технологического университета. - Казань: КНИТУ -2012. - № 20 - С.41 - 42.

4. Слепнева, Е.В. Модификация наноструктуры шерстяных волокон в процессе их первичной обработки [Текст] / Е.В. Слепнева, И.Ш.Абдуллин, В.В. Хамматова // Вестник Казанского технологического университета. - Казань: КНИТУ - 2012. - т.15, № 15 -С.93-94.

5. Слепнева, Е.В. Исследование повышение прочности шерстяного волокна в результате обработки потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления [Текст] / Е.В. Слепнева, И.Ш.Абдуллин В.В. Хам-матова // Текстильная промышленность.- 2010.-№4.- С.54 - 57.

© Б. И. Измайлов - доцент кафедры «Дизайн», ФГБОУ ВПО «КНИТУ», borisizmailov@mail.ru. © B. 1 Izmailov - associate Professor of department "Design" KNRTU, borisizmailov@mail.ru.