Современные методы модификации биополимеров

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

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ МОДИФИКАЦИИ БИОПОЛИМЕРОВ

Ключевые слова: электрофизическая модификация, шерсть, обезжиривание, свойлачиваемость, объемная обработка.

Одним из путей повышения качества шерстяного волокна в процессе первичной обработки шерсти является применение новейших технологий. В последние годы особую значимость приобретают электрофизические методы, как наиболее эффективные и экономичные, а в некоторых случаях и единственно возможные. Наиболее перспективной электрофизической модификацией является воздействие потока плазмы ВЧЕ - разряда пониженного давления на наноструктуру натуральных высокомолекулярных материалов с целью получения заданных свойств.

Keywords: electrophysical modification, wool, degreasing, svoylachivaemost, bulk handling.

One way to improve the quality of the wool fiber in the primary processing of wool is the application of new technologies. In recent years, has a particular significance electrical methods as the most cost effective and in some cases the only possible ones. The most promising is a modification of electrophysical effects of the plasma flow yester - discharge of low pressure on the natural macromolecular nanostructure materials in order to obtain the specified properties.

Белки - природные полимеры или биополимеры, построены из остатков аминокислот, связанных в длинные цепи посредством пептидных связей[1]. Из современных текстильных материалов шерсть и шелк относятся к природным белковым волокнам [2].

В современных условиях важным направлением является выпуск качественной продукции за счет механизации и автоматизации трудоемких процессов, применения более производительного оборудования, а также за счет использования современных технологий. При этом степень усовершенствования технологии получения шерстяных волокон определяется применяемыми методами обработки:

химические - основанные на воздействии различных химических материалов (это реагенты узкоцелевого назначения и комплексные препараты), степенью и прочностью их связывания с натуральными высокомолекулярными материалами;

механические - основанные на воздействии различных видов машин и аппаратов. При механическом воздействии часть химических веществ мигрирует к поверхности высокомолекулярных материалов животного происхождения, а наиболее летучие возгоняются;

биохимические - основанные на воздействии ферментными препаратами на обрабатываемый материал.

Методы химической модификации позволяют придать шерстяным волокнам заранее заданные эксплуатационные характеристики, за счет модификации под действием химически активных реагентов, что приводит к изменению их химического состава, т.е. получается практически новый композиционный материал с комплексом измененных объемных и поверхностных свойств [1,3,4].

Поскольку клетки шерстяного волокна соединены друг с другом межклеточным веществом и уложены настолько плотно друг к другу, что и под микроскопом корковый слой имеет вид монолитной массы; это обусловливает высокую механическую прочность и химическую устойчивость волоса в различных технологических процессах. Расщепление коркового слоя возможно только при воздействии сильных кислот, щелочей, хлорирующих агентов и ферментов, которые разрушают межклеточное белковое вещество. Вода оказывает на корковый слой слабое действие, вызывая лишь набухание межклеточного вещества [5].

Учитывая, что большинство процессов технологии переработки шерстяного волокна проводятся в водных средах, изучена возможность использования водного состава на основе хлорида натрия и кислородсодержащих циклических терпенов, что позволяет ускорить диффузионное взаимодействие химических веществ с волокном и, как следствие, сократить продолжительность жидкостной обработки. Однако, растворы на основе хлорида натрия сопровождаются его присутствием в сточных водах в больших количествах, что отрицательно сказывается на экологии окружающей среды [6].

Проведение процесса обезжиривания, в присутствии комплексного препарата на основе биологически активных веществ растительного происхождения позволяет улучшить экологию производства, за счет исключения кремнефтористого натрия, относящегося к ряду ядовитых веществ и плохо растворяющегося в воде. Из недостатков данного способа следует отметить большую трудоемкость и продолжительность обработки. Кроме того, избыток гидросульфита натрия способствует вымыванию мукополисахаридов и приводит к разрушению структуры кератина, входящего в состав шерстяного волокна, что снижает ее прочность, а следовательно, и качество [7].

В современных методах обезжиривания основное внимание уделяется, как правило, только технологической стороне процесса, а именно, степени удаления жировых веществ с поверхности шерстяного волокна. При этом, не учитывается уровень техногенного воздействия, оказываемого на окружающую среду и, в частности, на водные объекты. Одним из направлений, позволяющих решить сложившуюся проблему, является разработка биотехнологических методов деструкции жировых веществ.

На основе исследований, проводимых в направлении создания биологически разлагаемых продуктов, стойких к электролитам и обладающих хорошими эмульгирующими и смачивающими свойствами создан препарат ФКФ - ФХ, представляющий собой многокомпонентный, малотоксичный состав на основе солей карбоновых кислот.

Методами физической модификации осуществляется операция декатировки, состоящая в обработке шерстяного волокна горячим воздухом путем пропаривания при температурах 100-125° С., где в ходе процессов релаксации выравнивается надмолекулярная структура волокна, снимается внутреннее напряжение, возникающее в процессе их производства и механической переработки, и тем самым снижается их технологическая (в отделочном производстве) и потребительская усадка [8].

Достоинствами данных методов является простота использования и воплощения в технологический процесс.

Традиционные методы модификации включают следующие недостатки:

- все эти эффекты модифицирования шерстяного волокна приводят к изменению структурной организации аморфной фазы, так как соотношение аморфных и кристаллических областей изменяет диффузионную проницаемость волокон, и не позволяют комплексно улучшить их механические и физические свойства;

- стоимость многих химических веществ может составлять около 40-45% себестоимости готовой продукции;

- разработка и внедрение новых текстильно-вспомогательных веществ, способных существенно изменить скорость диффузионных процессов, сопряжена, с одной стороны, с существенными материальными затратами, а с другой - высокой вероятностью усложнения технологических цепочек.

Распространенные химические и механические методы совершенствования процессов переработки шерстяного волокна не позволяют достигнуть комплексного улучшения их характеристик. Общим недостатком данных методов обработки является то, что изменение в заданную сторону одних свойств, сопровождается, как правило, ухудшением других. Кроме того, применение новых химических материалов часто оказывается небезопасным для здоровья человека, что отрицательно сказывается на санитарно-гигиенических условиях труда, неудовлетворительное их использование приводит к дополнительному ухудшению экологичности процесса.

В качестве альтернативы механическим, химическим и физическим методам модификации шерстяных волокон, в последние годы особую значимость приобретают электрофизические методы, как наиболее эффективные и экономичные.

К электрофизическим методам обработки шерстяных волокон относятся методы изменения свойств обрабатываемых поверхностей, происходящие под воздействием: электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, электрического или оптического излучения, высокоэнергетических импульсов и магнитофрикционного эффекта, а также плазменной струи.

Среди электрофизических методов обработки капиллярно - пористых материалов, особое место занимает применение плазмы различных типов разряда: барьерного, тлеющего, коронного. Однако барьерный и коронный разряды работают при атмосферном давлении, что неизбежно приводит к химическим изменениям структуры волокон, а в тлеющем разряде имеется сильное ультрафиолетовое излучение и модификации подвергается только внешняя поверхность волокон. Таким образом, при использовании данных видов разряда объемной обработки не происходит[9 -12].

Исследования возможности плазменной активации при обработке шерстяных волокон открыли новую сферу применения газоразрядных процессов для улучшения их технологических и эксплуатационных характеристик. В частности, у пряжи или войлока, выработанных из шерстяных волокон, прошедших 2-3 мин обработку плазмой тлеющего разряда, разрывная нагрузка увеличивается с 4,8 до 5,7 сН/текс, разрывное удлинение с 11 до 16% [13]. Аналогичные результаты были получены при обработке шерсти коронным разрядом на опытно - промышленной установке, работающей при атмосферном давлении[14].

Например, ЗАО «НПК ЦНИИШЕРСТЬ» в поисковом исследовании оценено влияние обработки шерстяного волокна, чистошерстяной ленты, ровницы и гребенной пряжи в НТП тлеющего разряда при периодическом режиме работы на модификацию поверхности волокон, повышение прядильной способности шерсти, показателей свойств пряжи и ткани за счет повышения сил сцепления и трения между волокнам.

Известно, что обработка шерстяных тканей НТП улучшает ряд их потребительских свойств: повышает износостойкость, снижает свойлачиваемость, улучшает накрашивае-мость [8,15]. Ткани, обработанные в НТП, имеют ровную и устойчивую окраску, соответствующую контрольным образцам, устойчивость к истиранию возрастает на 30% [16]. При обработке высокочастотной плазмой пониженного давления модификация волокон про-

исходит в среде инертного газа или их смесей, ультрафиолетовое излучение минимальное, обеспечивается объемная обработка за счет горения несамостоятельных разрядов в порах. Достоинствами барьерного, тлеющего, коронного разрядов является:

- возможность модификации материалов различной природы с любыми физикомеханическими, физико-химическими свойствами;

- использование электрической энергии непосредственно в рабочей зоне через химические, тепловые и механические воздействия;

- возможность механизации и автоматизации основных технологических и вспомогательных процессов.

Кроме того, обработка НТП вызывает деструкцию только поверхностного слоя кутикулы шерсти, оставляя сохраненными внутренние слои. При этом происходит изменение электроповерхностных свойств шерсти и количества нуклеофильных групп, что повлияет на процесс крашения.

К недостаткам относится то, что наряду с повышением смачиваемости, микрошероховатости, устойчивости к усадке шерсти, дезинфецируемости, пористости, способности к травления слоев, изменяется химический состав структуры волокна и ухудшаются прочностные характеристики за счет частичной деструкции и сшивки макромолекул.

Следует отметить экологический аспект обработки НТП пониженного давления, не требующей использования традиционных химических растворов, что в итоге позволит уменьшить количество экологически вредных компонентов в процессе переработки сырья и полуфабриката.

Таким образом, обработка шерсти потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления является новым перспективным способом обработки высокомолекулярных материалов, позволяет улучшить физические и механические свойства шерстяного волокна. Плазменная технология относится к сухим, экологически чистым процессам, не требующим использования растворов, поэтому исследование применения данного способа в процессе первичной обработки шерсти является актуальным.

Литература

1. Новорадовская, Т. С. Химия и химическая технология шерсти / Т. С. Новорадовская, С. Ф. Садова. - М.: Легпромбытиздат, 1986. - 200 с.

2. 2. Садов, Ф. И. Химическая технология волокнистых материалов / Ф. И. Садов, М. В. Корчагин, А. И. Матецкий. - М.: Легкая индустрия, 1968. - 784 с.

3. Кричевский, Г.Е. Химическая технология текстильных материалов/ Г.Е.Кричевский, М.В. Корчагин, А.В. Сенахов - М.: Легпромбытиздат, 1985. - 640 с.

4. Кричевский, Г.Е. Химическая технология текстильных материалов. - М.: МГУ. - 2001. - Т.2. -540 с.

5. Горбунова, Л.С. Первичная обработка шерсти / Л.С.Горбунова, Н.В. Рогачев, Л. Г. Васильева,

В.М. Колдаев - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 352 с.

6. Кукин, Г.Н. Текстильное материаловедение / Г.Н.Кукин, А.Н.Соловьев, А.И. Кобляков.- М.: Легпромиздат, 1989. - 352 с.

7. Кутепова, Н.П. Поиск новых путей предотвращения биоповреждений сырья / Н.П. Кутепова, Н.З. Вальшин // Тез. докл. V Межрегиональной научно-практической конференции «Развитие меховой промышленности России», М.: НИИМП.- 2003. - С.4 - 5.

8. Белышев, Б.Е. Технология шерстяной пряжи, основанная на современных физических способах обработки волокнистого материала // Текстильная промышленность, 1999. - №9-10. - С.22 - 23.

9. Садова, С.Ф. Воздействие плазмы тлеющего разряда на клеточно-мембранный комплекс природного волокна /С.Ф. Садова, С.М. Журавлева, Т.А. Телегина // Сб. мат. 3-его Международного симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. - Иваново 2002. - С.363-364.

10.Садова, С.Ф. Воздействие низкотемпературной плазмы на кутикулу шерстяного волокна /

С.Ф. Садова // Текстильная промышленность. - 1991. - №2. - С.б5 - бВ.

11. Тюрин, Д.Ю. Влияние коронного разряда на электрические свойства шерсти/ Д.Ю. Тюрин // Тез. докл. Междунар. научно-техн. конф. «Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве». - Иваново, 1997. - С.221 - 222

12. Кутепов, А.Н. Плазменное модифицирование текстильных материалов: перспективы и проблемы/ А^. Кутепов, А.Г. Захаров, А.И. Максимов, В. А. Титов // Российский химический журнал. -2002. - т.ХЦУІ. - №1. - С.103 - 115.

13. Hickling A., Ingram M.D. //Trans. Faraday Soc. 19б4. Pt 4. P.783-793.

14. Hickling A., Bockris I.O.M.,Conway B.E. //Moderm aspects of electrochemistry. L.:Butterworth, 1971. Vo1.6. P.329.

15. Баева, Н.Н. Влияние обработки низкотемпературной плазмой на крашение шерстяных материалов / H. H. Баева, С. Ф. Садова, Т. С.Жолнерович и др. // Текстильная промышленность. -

19В9. - №3. - С.59 - 61.

16.Садова, С.Ф. Физико-химические свойства шерсти, обработанной низкотемпературной плазмой / С. Ф. Садова, H. H. Баева, Л. Я. Коновалова и др. // Текстильная промышленность. - 1991. -№2. - С.46 - 47.

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