Определение оптимальных параметров электроразрядной обработки грубого шерстяного волокна в процессе его модификации

ТЕХНОЛОГ1Я ЛЕГКО1 I ХАРЧОВО1 ПРОМИСЛОВОСТ1

УДК 677.027.2

Т.С. АСАУЛЮК, О.Я. СЕМЕШКО, АН. КУНИК, Ю Г. САРИБЕКОВА

Херсонский национальный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ОБРАБОТКИ ГРУБОГО ШЕРСТЯНОГО ВОЛОКНА В ПРОЦЕССЕ ЕГО

МОДИФИКАЦИИ

В данной работе рассмотрено применение электроразрядной нелинейной объемной кавитации в качестве способа поверхностной модификации грубого шерстяного волокна с целью улучшения его эксплуатационных свойств. В результате комплексного исследования влияния длительности электроразрядной обработки на основные показатели качества шерстяного волокна установлено, что вследствие особенностей строения кутикулы грубого волокна необходимый эффект модификации достигается за более короткое время, по сравнению с полутонкой шерстью. Доказано, что оптимальное время кавитационного воздействия для грубого шерстяного волокна составляет 120 с.

Ключевые слова: грубое шерстяное волокно, качество шерсти, модификация, электроразрядная обработка, кавитация.

Т.С. АСАУЛЮК, О.Я. СЕМЕШКО, О.М. КУНИК, Ю.Г. САР1БСКОВА

Херсонський нащональний техшчний ушверситет

ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ ПАРАМЕТР1В ЕЛЕКТРОРОЗРЯДНО1 ОБРОБКИ ГРУБОГО ВОВНЯНОГО ВОЛОКНА У ПРОЦЕС1 ЙОГО

МОДИФ1КАЦП

В данш роботi розглянуто застосування електророзрядно'1' нелтшно! об'емноХ кавiтацii в якостi способу поверхнево'1' модифiкацii грубого вовняного волокна з метою покращення його експлуатацшних властивостей. В результатi комплексного дослiдження впливу тривалостi електророзрядно'1' обробки на основнi показники якостi вовняного волокна встановлено, що вна^док особливостей будови кутикули грубого волокна необхiдний ефект модифжацп досягаеться за бшьш короткий час, в порiвняннi з напiвтонкою вовною. Доведено, що оптимальний час кавiтацiйного впливу для грубого вовняного волокна складае 120 с.

Ключовi слова: грубе вовняне волокно, яюсть вовни, модифiкацiя, електророзрядна обробка, кавiтацiя.

T.S. ASAULYUK, O.Ya. SEMESHKO, A.N. KUNIK, Yu.G. SARIBYEKOVA

Kherson National Technical University

THE DEFINITION OF BEST CONFIGURATION OF ELECTRICAL DISCHARGE TREATMENT OF THE COARSE WOOL FIBERS DURING ITS MODIFICATION

The applying of electrical discharge nonlinear bulk cavitation as a method of surface modification of coarse wool fibers to improve its performance properties is considered in the article. As a result of a comprehensive study of the influence of the duration of electrical discharge treatment on the main indicators of quality of the wool fiber is established that due to the structural features of cuticle of the coarse fiber the necessary effect of modification is achieved in a shorter time compared to semifine wool. It is proved that the optimal time of cavitation effect for coarse wool fiber is 120 sec.

Keywords: coarse wool fiber, wool quality, modification, electric discharge treatment, cavitation.

Постановка проблемы

На сегодняшний день в Украине наблюдается уменьшение объемов производства шерстяных материалов, связанное с дефицитом и низким качеством отечественного сырья наряду с увеличением валютных затрат на закупку шерсти за рубежом. Основным условием снижения зависимости шерстяной промышленности Украины от импорта является развитие существующей сырьевой базы, что возможно

осуществить путем внедрения новых технологий, которые позволят обеспечить выпуск конкурентоспособной продукции.

Анализ последних исследований и публикаций

Эффективным способом повышения качества выпускаемой шерстяной продукции может служить модификация шерсти, которая представляет собой направленное изменение поверхности волокна для улучшения его эксплуатационных свойств.

В традиционных технологиях отделки, в частности при белении, шерстяное волокно претерпевает значительное повреждение белковой структуры, что негативно влияет на эффективность дальнейшей переработки отбеленной шерсти, а также на качество готовых изделий. В связи с этим наибольший практический интерес представляют способы модификации, которые не только изменяют физические, химические и сорбционные свойства шерстяного волокна, но и обеспечивают его минимальное повреждение.

Анализ научно-технической литературы [1-5] показывает, что в последние годы особое внимание уделяется физическим способам воздействия на волокно, к которым относится высоковольтный электрический импульсный разряд в жидкости, сопровождающийся возникновением электроразрядной нелинейной объемной кавитации (ЭРНОК). Установлено, что ЭРНОК направленно воздействует на гидрофобный липидный слой эпикутикулы шерстяного волокна, не затрагивая при этом более глубокие слои субстрата [6]. При сохранности основной части кутикулы модифицированная шерсть также характеризуется снижением сваливающей способности, обусловленной уплотнением поверхностной структуры волокна.

Ранее проведенными исследованиями [7-8] была доказана эффективность применения предварительной электроразрядной обработки в качестве способа поверхностной модификации полутонкого шерстяного волокна для сокращения потерь его механической прочности и снижения свойлачивания в процессе последующего пероксидного беления. Таким образом, модификация шерстяного волокна с применением ЭРНОК позволяет не только максимально сохранить ценные свойства шерсти в процессе беления, но и получить отбеленный материал высокого качества с улучшенными технологическими и эксплуатационными характеристиками.

Поскольку шерстяное волокно характеризуется сложным гистологическим строением, то ЭРНОК в разной степени воздействует на шерсть различной тонины. Поэтому интерес представляет изучение процесса модификации грубого волокна, так как улучшение физико-механических свойств грубой шерсти позволит применять ее для изготовления высококачественных текстильных материалов.

Формулировка целей исследования

Таким образом, настоящее исследование было направлено на определение оптимальных параметров электроразрядной обработки грубого шерстяного волокна с целью его модификации перед белением.

Изложение основного материала исследования

Основными действующими факторами, оказывающими наиболее существенное влияние на процесс модификации шерстяных волокон в процессе электроразрядной обработки, являются непосредственное воздействие электрогидравлического удара, а также продуктов расщепления воды, образующихся в рабочей среде под действием кавитации.

Условиями, определяющими форму и скорость протекания химических реакций, сопутствующих электрогидравлическому воздействию на обрабатываемую среду и помещенное в нее шерстяное волокно, могут выступать такие факторы, как характер и длительность действующих сил. Это свидетельствует о важности подбора оптимального режима работы электрогидравлических установок для различных стадий обработки шерсти.

Для определения наиболее эффективного режима электроразрядной обработки шерстяного волокна с целью его последующего беления необходимо изучить влияние длительности воздействия ЭРНОК на физико-механические и химические свойства шерсти, так как качество отбеленного шерстяного материала зависит от характеристик исходного волокна.

Исследованию подвергалась промытая грубая шерсть в виде ровницы. Электроразрядная обработка шерстяного волокна проводилась в водопроводной воде при температуре 25°С, модуле ванны 1:150 с варьированием длительности обработки от 30 до 180 с. Эффективность воздействия ЭРНОК на физико-механические свойства грубой шерсти оценивали комплексно по показателям прироста белизны и относительной разрывной нагрузки. На рис. 1 показано влияние длительности электроразрядной обработки на степень белизны промытой грубой шерстяной ровницы.

Результаты, представленные на рис. 1, свидетельствуют о том, что ЭРНОК оказывает положительное влияние на степень белизны грубого шерстяного волокна. За 180 с обработки исследуемый показатель повышается с 39,3 до 43%.

Кроме белизны важным показателем качества шерсти также является ее прочность, которую можно оценить по показателю относительной разрывной нагрузки. Зависимость данного показателя грубого шерстяного волокна от времени электроразрядной обработки показано на рис. 2.

Анализ данных рис. 2 показывает, что электроразрядная обработка приводит к повышению механической прочности грубого шерстяного волокна, что свидетельствует о сохранности пептидных связей в главных цепях и образовании новых межмолекулярных связей в кератине. Следует отметить, что под воздействием ЭРНОК относительная разрывная нагрузка грубого волокна изменяется менее интенсивно, по сравнению результатами аналогичного исследования на полутонкой шерсти [7]. При этом максимальное повышение данного показателя достигается за 120 с обработки.

0 30 60 90 120 150 180

Время электроразрядной обработки, с

Рис. 1. Влияние длительности электроразрядной обработки на белизну грубого шерстяного

волокна:

y = 39,231 + 0,044х - 0,0001х2, S = 0,1160, r = 0,9978.

Время электроразрядной обработки, с

Рис. 2. Влияние длительности электроразрядной обработки на относительную разрывную нагрузку

грубого шерстяного волокна:

у = 9,281 + 0,0006х-0,000002х2, 5 = 0,0019, г = 0,9967.

Поскольку сохранность шерстяного волокна является важной характеристикой модифицированной шерсти, на следующем этапе работы было проведено исследование степени

повреждения волокна в динамике процесса модификации. Для оценки степени повреждения шерстяного волокна использовались методы, основанные на изменении растворимости кератина шерсти в растворах химических реагентов.

Растворимость шерстяного волокна в растворе едкого натра характеризует степень гидролиза основных полипептидных цепей. По растворимости шерстяного волокна в мочевино-гидросульфитном реагенте (МГР) можно судить о количестве поперечных связей в кератине. Влияние длительности электроразрядной обработки на растворимость грубой шерсти в данных химических реагентах представлено на рис. 3.

а о я н о

й рц

3,8 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2

о4

s л

о и н а ИЗ Рч

1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1

0,9 0,8

30 60 90 120 150 Время элекгоовазвядной обработки, с

а)

180

30 60 90 120 150 Время электроразрядной обработки, с б)

18С

Рис. 3. Влияние длительности электроразрядной обработки на растворимость грубого шерстяного

волокна в химических реагентах:

а) №ОИ: у = 2,959 + 0,698 • а^(0,014х + 0,617), 5 = 0,0785, г = 0,9938;

б) МГР: у = 1,324 + 0,418 • ео8(0,017х + -0,064), 5 = 0,0350, г = 0,9974.

0

0

Полученные экспериментальные данные на рис. 3а показывают, что электроразрядная обработка снижает щелочную растворимость грубой шерсти, что свидетельствует о высокой устойчивости полипептидных цепей к гидролизу. Причиной повышения устойчивости кератина к действию щелочей является образование новых поперечных связей между полипептидными цепями кератина в процессе модификации.

Снижение растворимости грубой шерсти в МГР, показанное на рис. 3б, можно объяснить превращением части цистиновых связей в лантиониновые, которые не гидролизуются в МГР.

Исследование влияния модификации на степень повреждения грубого шерстяного волокна осуществлялось также колористическими методами. Известно, что крашение шерсти диазолем алым К является косвенной оценкой степени повреждения чешуйчатого слоя волокна, а окрашивание основным метиленовым голубым - характеристикой степени повреждения коркового слоя волокна.

Результаты влияния длительности электроразрядной обработки на величину накрашиваемости специфическими красителями представлены на рис. 4.

Полученные результаты крашения диазолем алым К (рис. 4а) после электроразрядной обработки показывают, что в интервале от 30 до 120 с наблюдается равномерное снижение интенсивности окраски грубой шерсти. Более длительное воздействие ЭРНОК приводит к незначительному изменению значения функции K/S. Уменьшение интенсивности окраски шерсти в процессе модификации свидетельствует об уплотнении чешуйчатого слоя волокна, что препятствует образованию азокрасителя при протекании реакции диазосоединения с тирозином межклеточного вещества, отделяющем кутикулу от кортекса.

Необходимо отметить, что в случае крашения метиленовым голубым (рис. 4б) уже после 60 с электроразрядной обработки интенсивность окраски грубого шерстяного волокна изменяется в меньшей степени, что объясняется затруднением реакции основного красителя с кортексом в результате плотного прилегания чешуек к поверхности волокна.

Таким образом, можно заключить, что вследствие особенностей строения кутикулы грубой шерсти, заключающихся в многослойном расположении чешуек, уплотнение поверхностной структуры грубого волокна происходит за более короткое время воздействия ЭРНОК по сравнению с полутонкой шерстью [7].

2,6

m

2,5

S 2,4 й

I 2,3

g2,2

«

2,1 2 1,9

0 30 60 90 120 150 180 Время электроразрядной обработки, с а)

21

о) 19 £

17

â 15 &

о 13 11 9 7 5 3

0 30 60 90 120 150 180 Время электроразрядной обработки, с б)

Рис. 4. Влияние длительности электроразрядной обработки на накрашиваемость грубого шерстяного волокна специфическими красителями:

, „ 1,918

а) диазолем алым К: у = -

S = 0,0160 , r = 0,9978 ;

1- 0,241e 0

б) метиленовым голубым: y = -

19,850 + 0,387х 1 + 0,097х - 0,0001х2

S = 0,0734 , r = 0,9999 .

В табл. 1 представлены результаты изменения технологических свойств грубого шерстяного волокна до и после электроразрядной обработки в течение 120 с.

Таблица 1

Показатель Волокно

исходное модифицированное

Средняя тонина, мкм 36,1 34,3

Извитость, % 3,30 7,56

Степень свойлачивания, г/см3 0,185 0,171

Полученные данные свидетельствуют о том, что под воздействием ЭРНОК происходит улучшение технологических свойств грубой шерсти: снижение свойлачивания и повышение извитости при уменьшении тонины волокна.

Выводы

1. Комплексный анализ результатов исследования влияния продолжительности воздействия ЭРНОК на основные показатели качества грубого шерстяного волокна позволяет заключить, что необходимый эффект модификации, обеспечивающий максимальное повышение белизны и прочности, достигается уже за 120 с обработки.

2. Следует отметить, что при выбранных условиях электроразрядной обработки происходит улучшение качества грубой шерсти, что позволит максимально эффективно проводить последующие операции ее отделки.

Список использованной литературы

1. Grosvenor A. Protein Fibre Surface Modification / J. Dyer, A. Grosvenor // Natural Dyes. Monograph: edited by E. Akcakoca Kumbasar. - 2011. - 132 p. (P. 111-124).

2. Ammayappan L. Eco-friendly surface modifications of wool fiber for its improved functionality: an overview / L. Ammayappan // Asian journal of textile. - 2013. - №1, v. 3. - P. 15-28.

3. Kan C.W. Plasma technology in wool / C.W. Kan, C.W.M. Yuen // Textile Progress. - 2007. - № 3, v. 39. - Р. 121-187.

4. Вгтенько Т.М. Гвдродинашчна кавгтащя у масообмшних, хiмiчних i бюлопчних процесах: Монография. / - Тернотль: видавництво Тернопшьського державного техшчного ушверситету iм. 1вана Пулюя, 2009. - 224 с.

5. Сарибекова Ю.Г. Инновационная технология обработки шерстяного волокна / Ю.Г. Сарибекова, О.Я. Семешко, А.В. Ермолаева // Технология текстильной промышленности. - 2013. - №3 (345). - С. 79-83.

6. Асаулюк Т.С. Влияние предварительной электроразрядной обработки на поверхность шерстяного волокна в процессе беления /Т.С. Асаулюк, Ю.Г. Сарибекова, О.Я. Семешко // Вюник Хмельницького нацюнального ушверситету. Техшчш науки. - 2015. - №5(229). - С. 160163.

7. Асаулюк Т.С. Определение оптимальных технологических параметров электроразрядной обработки шерстяного волокна перед белением / Т.С. Асаулюк, Ю.Г. Сарибекова, О.Я. Семешко // Вюник Хмельницького нацюнального ушверситету. Техшчш науки. - 2013. - №5(205). - С. 106-109.

8. Асаулюк Т.С. Влияние предварительной электроразрядной обработки на сохранность шерсти в процессе беления / Т.С. Асаулюк, Ю.Г. Сарибекова, О.Я. Семешко // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. - 2013. - № 4. Серия 1. Естественные и технические науки. - С. 16-18.