Модификация наноструктуры шерстяных волокон в процессе их первичной обработки

Е. В. Слепнева, И. Ш. Абдуллин, В. В. Хамматова

МОДИФИКАЦИЯ НАНОСТРУКТУРЫ ШЕРСТЯНЫХ ВОЛОКОН В ПРОЦЕССЕ ИХ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ

Ключевые слова: шерстяное волокно, модификация, микроскопия, кутикула, ортокортекс.

Наиболее перспективной электрофизической модификацией является воздействие потока плазмы ВЧЕ - разряда пониженного давления на наноструктуру натуральных высокомолекулярных материалов с целью получения заданных свойств. Плазменная обработка шерсти способствует упорядочению наноструктуры коркового вещества, что приводит к увеличению прочности модифицированных волокон.

Keywords: wool fiber, modification, microscopy, cuticle, ortokorteks.

The most promising is the impact of the modification of Electro-plasma flow yester - discharge of low pressure natural nanostructure Polymer-polar materials in order to obtain the desired properties. Plasma treatment of wool contributes to streamlining the nanostructure of the cortex, which leads to an increase in the strength of the modified fibers.

Одной из основных причин снижения производства шерсти и ее качества, наряду с сокращением поголовья овец и увеличением доли низкосортного сырья, поступающего от частного сектора, является неэффективная первичная обработка (ПОШ) и, в частности, отсутствие современных оптимальных технологий мойки шерстяного сырья.

В последние годы особую значимость приобретают электрофизические методы модификации шерстяных волокон. Наиболее перспективным электрофизическим методом модификации является воздействие потока плазмы ВЧЕ - разряда пониженного давления на наноструктуру натуральных высокомолекулярных материалов с целью получения заданных свойств. Преимущество такого метода заключается в незначительном количестве химических превращений на обрабатываемой плазмой поверхности и объеме тела, а также неизменности химического состава полимера [1].

Актуальность модифицирования с помощью потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления продиктована необходимостью комплексного и направленного создания требуемых показателей качества шерстяного волокна, а так же необходимостью технологического направленного регулирования параметров обработки.

Целью работы является исследование наноструктуры шерстяных волокон, модифицированных потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления в процессе первичной обработки.

В качестве объекта исследования выбрана шерсть овечья немытая мериносовая I длины. Модификация шерстяного сырья выполнялась на высокочастотной плазменной установке на базе Казанского государственного технологического университета, с частотой генератора 13,56 МГц, мощность разряда ^р = 0,2 - 2,0 кВт, давление в вакуумной камере Р = 26,6 Па, время обработки 1 = 1 -9 мин., расход плазмообразующего газа С= 0,04 -

0,06 г/с, в качестве плазмообразующего газа использовался аргон.

Лабораторные пробы немытой шерсти промывали в двух бачках в мыльно-содовом растворе при температуре воды 45 -50оС. Мыльно - содовый раствотр содержал 2г. 60%-ного мыла и 3 г. Кальци-

нированной соды в 1 дм3 воды. Шерсть промывали вручную в течение 2 - 3 мин. В каждом бочке, несколько раз погружая в раствор и вынимая из него пробу. При этом шерсть отжимают руками, не нарушая сроения штапелей. В третьем бачке шерсть прополоскали в чистой воде при температуре 38 -40о С. Пробу высушивали в сушильном шкафу при температуре 60 - 70оС около 1ч. Затем пробу мытой шерсти разделили на отдельные штапельки; каждый штапелек прочесали металлическим гребнем для параллелизации волокон. Прочесанные штапельки в распрямленном от извитости состоянии вырезали 30 пучков, из которых пять являлись запасными, длиной 25 мм и массой 3 - 4 мг каждый [2].

Воздействие плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления приводит к конформационным изменениям волокон шерсти, что способствует снятию стерических препятствий и, соответственно, снижению активационных барьеров возможных реакций [3]. Структурные изменения шерстяных волокон в процессе первичной обработки шерсти с применением плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления исследовали сканирующей электронной микроскопией (рис. 1).

На полученных микроснимках контрольного образца (рис. 1 а) наблюдается отслаивание кутику-лярного слоя. В образце, модифицированном плазмой ВЧЕ-разряда пониженного давления в гидрофильном режиме (2 б) наблюдается нарушение целостности кутикулы, происходит сокращение слоя эпикутикулы и большей части экзокутикулы. Этим обусловлено повышение проницаемости кутикулы и увеличение гидрофильности волокон. В образце, обработанном с плазмообразующей смесью газов аргона (70%) и пропана (30%) (рис.3 в), целост-

ность кутикулы сохраняется, на поверхности видна пленка, образованная углеродом при разложении пропана за счет чего происходит увеличение гидро-фобности волокон.

Состояние ортокортекса шерстяных волокон исследовано до и после обработки образцов в плазме ВЧЕ-разряда пониженного давления. Микрофотографии срезов волокон представлены на рис. 2.

а б в

Рис. 1 - Микрофотографии поперечных срезов приповерхностных участков шерстяного мериносового волокна: а) контрольный образец; б) опытный образец, обработанный в гидрофильном режиме^р=1,8 кВт, 0аг=0,04г/с, Р=26,6 Па, 1=5мин); в) опытный образец, обработанный в гидрофобном режиме^р=2 кВт, 0аг=0,04г/с, Р=26,6 Па, 1=6мин)

ш

Л

а б в

Рис. 2 - Микрофотографии поперечных срезов шерстяного мериносового волокна в области ортокортек-са*20000: а) контрольный образец; б) опытный образец, обработанный в гидрофильном режи-ме(Шр=1,8 кВт, 0аг=0,04г/с, Р=26,6 Па, 1=5мин); в) опытный образец, обработанный в гидрофобном

режиме^р=2 кВт, 0аг=0,04г/с, Р=26,6 Па, 1=6мин)

Как видно из рисунка 2а фибриллы орто-кортекса в волокне контрольного образца распределены равномерно, между ними хорошо прослеживаются слои межмакрофибриллярного матрикса.

В волокне, прошедшем обработку в аргоновой плазме ВЧЕ-разряда пониженного давления (рис. 2б), напротив, фибриллы ортокортекса уложены плотно, без четких матричных пространств, матрикс сосредоточен на отдельных участках. Данные микроскопии свидетельствуют о нарушении целостности структуры шерстяного волокна, обработанного в аргоновой плазме ВЧЕ-разряда пониженного давления.

Состояние фибриллярной структуры шерстяного волокна, обработанного плазмой ВЧЕ-разряда пониженного давления в смеси газов аргона (70%) и пропана (30%) (рис 2 в) представляет собой переходную стадию между контрольным и образцом, обработанным в аргоновой плазме: макрофибриллы дифференцированы лучше, чем в первом случае обработки, матрикс равномерно распределен в межмикрофибриллярном пространстве, наблюдается незначительное скопление матрикса на отдельных участках.

Таким образом, экспериментальные исследования влияния параметров плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на шерстяные волокна в

процессе первичной обработки шерсти показали, что:

а) обработка волокон плазмой ВЧЕ-разряда пониженного давления позволяет придать им заданные характеристики (гидрофильность, гидрофоб-ность) на различных этапах первичной обработки шерсти;

б) при плазменной обработке шерсти наблюдается упорядочение наноструктур коркового вещества, что способствует увеличению прочности модифицированных волокон.

Литература

1. Абдуллин И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения/ И.Ш. Абдуллин, В. С. Жел-тухин, Н.Ф. Кашапов .- Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2000. - 348 с.

2. Слепнева Е.В. Влияние потока плазмы на микроструктуру и свойства полимеров / Е.В. Слепнева, И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова // Вестник Казанского технологического университета. -2010.- №10.- С.154-157.

3. Вознесенский Э. Ф. Структурные аспекты модификации натурального кератиносодержащего материала в плазме ВЧ-разряда пониженного давления / Э.Ф. Вознесенскщ, Ф.С. Шарифуллин, И.В. Красина, И.Ш. Абдуллин // Вестник казанского технологического университета. - 2009. - №5. - С. 426 - 429.

© Е. В. Слепнева - ст. препод. каф. дизайна КНИТУ, elenaslep@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ; В. В. Хамматова - д-р техн. наук, проф., зав. каф. дизайна КНИТУ.