CC BY
115
УДК 677.021.15/18:677.12
М.В. ШИНКАРУК, М.В. ШАМШУРА, Т.О. КУЗЬМИНА
Херсонский национальный технический университет
МОДИФИКАЦИИ КОНОПЛЯНОГО ВОЛОКНА
В данной работе проведено исследование современного состояния конопляной отрасли в Украине и установлено, что основными продуктами первичной обработки стеблей конопли на предприятиях является длинное и короткое волокно. Результаты показали, что есть необходимость в усовершенствовании технологий механической обработки тресты конопли для расширения сферы дальнейшего использования полученного из них волокна для производства товаров широкого потребления, а также необходимость в применении модификации конопляного волокна. Исследование подтвердило, что ключевым элементом успешного развития конопляного бизнеса является внедрение в производство инновационных направлений переработки и получения востребованной на потребительском рынке продукции. Усовершенствование и разработка новых технологий производства конопляного сырья способствуют повышению степени использования всех составляющих компонентов растения, создать благоприятные условия для модификации конопляного волокна, что позволит планомерно развивать отрасль и получать стабильный доход.
Ключевые слова: ненаркотическое техническое волокно, конопляное волокно, пенька, треста, инновационные технологии, модификация волокна.
М.В. ШИНКАРУК , М.В. ШАМШУРА, Т.О. КУЗЬМША
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
МОДИФ1КАЦП КОНОПЛЯНОГО ВОЛОКНА
У датй роботi проведено дослгдження сучасного стану конопляно'1 галузг в Украт та встановлено, що основними продуктами первинно'1 обробки стебел конопель на тдприемствах е довге та коротке волокно. Результати показали, що необхiдно удосконалити технолога мехатчно'1 обробки трести конопель для розширення сфери подальшого використання отриманого з них волокна для виробництва товарiв широкого вжитку, а також застосовувати модифкаци конопляного волокна. До^дження тдтвердило, що ключовим елементом успшного розвитку конопляного бизнесу е впровадження в виробництво iнновацiйних напрямюв переробки та отримання на споживчому ринку конопляно'1 продукцИ] що мае попит. Вдосконалення i розробка нових технологт виробництва, як сприяють тдвищенню ступеня використання всiх складових компонентiв рослини, створення сприятливих умов для модифкацш конопляного волокна дозволить планомiрно розвивати конопляну галузь i отримувати стабшьний дохiд.
Ключовi слова - ненаркотичне технiчне волокно, конопляне волокно, пенька, треста, комплексна переробка, iнновацiйнi технологи, модифжащя волокна.
M. SHYNKARUK, M. SHAMSHURA, T. KUZMINA
Kherson National Technical University
THE HEMP FIBER MODIFICATIONS
In this work the research is conducted that nowadays long and short fiber is the main products of preprocessing of hemp stalks at the enterprises of hemp branch in Ukraine. There is a need for improvement of technologies of machining trusts of hemp for expansion of the sphere of further use of the fiber received from them for production of consumer goods and also to apply various modifications to hemp fiber. It is proved that a key element of successful development of hemp business is introduction of the latest innovative directions of processing and receiving production demanded in the consumer market. Conclusions are drawn that it is necessary to improve and develop new production technologies which allow to raise extent of use of all components of a hemp plant, to create favorable conditions for various modifications of hemp fiber that will allow to develop hemp branch systematically and to gain stable income in this sphere.
Keywords: not narcotic technical fiber, hemp fiber, hemp, trust, innovative technologies, fiber modification.
Постановка проблемы
Как известно, на данное время в Украине основными продуктами первичной обработки стеблей конопли на предприятиях отрасли являются длинное и короткое волокно. В первую очередью, это
связано с несоответствием физико-механических свойств длинного и короткого конопляного волокна, полученного по данным технологиям, требованиям к сырью для текстильной, фармацевтической и целлюлозно-бумажной промышленности. Во-вторых, отсутствием на сегодняшний момент соответствующих технологий механической обработки стеблей конопли, которые дали бы возможность получать волокно, пригодное для использования как сырье для выше перечисленных отраслей. В-третьих, данные технологии не учитывают основных отличительных характеристик анатомического и морфологического строения соломы и химического состава волокна современных сортов конопли.
Результаты исследований установили необходимость усовершенствования технологий механической обработки тресты конопли для расширения сферы дальнейшего использования полученного из них волокна для производства товаров широкого потребления, а также применение модификаций конопляного волокна.
Анализ последних исследований и публикаций Как показывает анализ статистических данных, в мире за последние годы существенно выросли объемы выращивания и переработки лубяных культур. Особенно это касается конопли. Лидерами в данном производстве считаются Франция, Канада, Китай. В табл. 1 приведена оценка ёмкости производства конопляного волокна за 2003 г. и 2017 г. в странах, которые не только выращивают ненаркотическую коноплю, но и перерабатывают на волокно пригодное для производства в разных отраслях промышленности [1].
Таблица 1
Сравнительный анализ производства промышленного волокна конопли
за 2003 и 2017г.г.
Страна производитель Производство промышленного конопляного волокна, т.
2003г. 2017 г.
Франция 4300 48264
Канада 5800 34720
Китай 24000 26000
Чили 1250 1450
Украина 150 1450
Венгрия 40 600
Россия 300 500
Таблица 2
Динамика посевных площадей в Украине
Год Площадь посевов технической конопли тыс.га Урожайность волокна, ц/га Урожайность семян, ц/га
1990 10,20 7,61 3,04
1995 3,20 5,72 5,21
2000 3,00 5,31 2,97
2005 1,94 3,40 3,80
2009 0,26 2,30 5,20
2010 0,78 2,50 6,60
2011 0,43 2,70 7,70
2012 0,65 3,00 4,90
2013 1,26 2,50 4,20
2014 2,75 4,35 5,80
2015 3,60 6,20 6,60
2016 5,00 9,80 10,70
2017 5,12 10,20 11,80
За последние годы в Украине существенно выросли объемы выращивания и переработки конопли, как это показано в табл. 2. Об этом свидетельствуют следующие факты: значительное расширение посевных площадей под названную культуру, дальнейшее совершенствование и экологизация технологий его выращивания и переработки, существенное увеличение объемов производства и расширение ассортимента товаров, полученных на ее основе [2]. Это обусловило
необходимость проведения углубленных исследований ассортимента и свойств конопле содержащих материалов и изделий, комплексной оценки уровня их качества и конкурентоспособности, экономического обоснования сфер наиболее эффективного их использования, а также модификацию волокна. Неслучайно эти вопросы в последние годы освещаются во многих зарубежных и отечественных монографиях, научных и профессиональных изданиях, а также является предметом дискуссий на международных, региональных и межвузовских научно-практических конференциях и симпозиумах [3].
Формулирование цели исследования
Целью данных теоретических и экспериментальных исследований является анализ существующих технологических процессов, способствующих комплексному использованию большого количества ценных компонентов культуры конопли, обзор модификаций конопляного волокна, которые можно использовать в разных отраслях производства.
Изложение основного материала исследования
Конопляная пенька и волокно служат материалом для изготовления текстиля, обладающего повышенной прочностью, водостойкостью и износоустойчивостью.
Обычно из конопляного волокна изготавливают следующие виды текстиля:
• грубые ткани (парусину, рогожу, холст, брезент),
• кручено-витые изделия (веревки, канаты, швейные нитки, шпагат)
• технический текстиль (паклю, тканевые фильтры, приводные ремни, парашютные стропы, пожарные рукава, конскую упряжь).
Из пеньки плетут коврики и циновки. В прошлом из конопляного волокна изготавливали также рыболовные сети и тонкие ткани (включая постельные и бельевые).
Сфера использования конопли постоянно расширяется, разрабатываются новые технологии, которые позволяют повысить степень использования всех составляющих компонентов растения, создает условия конопле конкурировать с другими сельскохозяйственными культурами.
Общеизвестно, что ключевым элементом успешного развития бизнеса является внедрение последних инновационных направлений переработки и получения востребованной на потребительском рынке продукции. За последние годы в мире уровень внедрения инноваций в коноплеводстве значительно вырос, демонстрируя новые чрезвычайно конкурентоспособные направления производства коноплепродукции. Наиболее яркими примерами нового применения конопли является интенсивное внедрение биокомпозитных материалов для изготовления деталей самолёто- и автомобилестроения, где данный материал может занимать более 70% составных частей технического средства. Применение конопляных волокон как основ для изготовления суперконденсаторов может стать идеальной альтернативой по сравнению с дорогими материалами, применяемыми на современном этапе производства. Также в перечень инновационных конопляных продуктов можно отнести: эко-продукты, новые пищевые продукты, содержащие коноплю (жевательная резинка, напитки, масло для жарки) и зоотовары, имеющих высокую питательную ценность. И конечно, особого внимания сегодня заслуживает медицинское направление применения растения конопли, который в ближайшем будущем может быть одним из самых прибыльных сегментов отрасли коноплеводства [4].
Конопляное волокно используют не только в одежде, но и в средствах ухода за лицом, например, в матирующих салфетках для лица из конопляной бумаги с экстрактом зеленого чая. Эти изделия смягчают кожу, раздраженную негативными внешними воздействиями, гипоаллергенные.
Однако, несмотря на высокие показатели гигиенических, прочностных и других свойствах конопляного волокна, актуальной остается дополнительная технологическая «доработка» и его усовершенствование. Эффективным современным инструментарием улучшения свойств текстильных материалов является плазменная модификация.
Плазма - это частично или полностью ионизированный газ. С помощью плазменной обработки можно изменять гидрофильные, адгезионные и механические свойства волокон. Воздействие низкотемпературной плазмы пониженного давления, приводит к увеличению разрывной нагрузки, способствует росту устойчивости к истиранию.
В легкой промышленности все большее практическое применение находит плазма высокочастотного (ВЧ) разряда пониженного давления [5]. Главная цель этой модификации - получить более мягкое волокно из ненаркотической технической конопли, имеющее прядильные свойства и пригодное для дальнейшей переработки в текстильной промышленности, а также улучшить такие качества как способность к отбеливанию, прочность, гигроскопичность.
Органолептический метод даёт возможность определить общие показатели материала, полученные таким способом. Волокна конопли, полученные летним сбором, обладают блеском, жёлтым окрасом. Среди недостатков волокон можно выделить: жёсткие на ощупь, имеются остатки костры, низкая эластичность и тёмный оттенок, не поддающийся полному отбеливанию.
Модификация в среде аргона придала волокну дополнительную эластичность, в среде воздуха -более светлый бежевый цвет и блеск, в среде пропан-бутана - более наполненную структуру и гладкую поверхность. Органолептические и физико-механические показатели представлены в табл. 3.
Таблица 3
Органолептические данные и средние показатели разрывной нагрузки конопляного волокна
Волокно модифицированное в плазме Органолептические свойства Физико-механические свойства
приобретенные свойства сила, Н удлинение, мм
Контрольный - 4,95 2,25
В среде аргона эластичность 10,81 1,75
В воздушной среде светло бежевый цвет и блеск 6,30 1,78
В среде пропан-бутана гладкая наполненная структура 6,13 1,54
На рис. 1 указаны данные по разрывной нагрузке конопляного волокна.
3 1
] .......3' "Т V г
/ 2 : —1, 1
1 /м 1
/V /1 4
/ / 1
О 0,5 1 1,5 2 2.5 3 3,5 4 4,5 5 Удпинение(мм)
Рис. 1. Разрывная нагрузка исходного контрольного волокна и волокна, подверженных
плазменной модификации: 1 - контрольный, 2 - воздух, 3 - аргон, 4 - пропан-бутан
После плазменной обработки, у образцов изменились физико-механические свойства. Обработка образцов конопляных волокон в низкотемпературной плазме позволила повысить показатель прочности на разрыв образцов в сравнении с контрольным образцом.
Лучшим волокном по показателям прочности является образец, подверженный плазменной модификации аргона, но превосходит исходный образец по разрыву в 2,2 раза. Образец, обработанный в низкотемпературной плазме воздухом, превосходит исходный образец в 1,27 раз. Образец, модифицированный в пропан-бутане, превосходит исходный образец в 1,23 раза. Показатель удлинения практически не изменяется. Рекомендуется использовать волокно, обработанное в аргоне для индустрии спецпрочной одежды, в военное дело, рюкзаки для походов, палатки, форма.
Эксперимент показывает целесообразность плазменной модификации конопляного волокна в той или иной среде, для изготовления спецовок, плащевой ткани (джинсовые куртки, плащи, пальто, ветровки) и т.д. [6, 7].
Существует модификация конопляного волокна, разработанная российским ученым Дорофеевым В.В., основанная на совместной гидродинамической обработке волокон в непрерывном режиме волновым полем посредством ультразвукового источника (стандартное оборудование: - 20 кГц и 2 кВт), а затем в импульсном режиме - электроимпульсным разрядом в жидкости. Повышение эффективности процесса обработки достигается благодаря «разделению видов работ»:
1. ультразвук - для удаления солей, костры, грязи, кутикулы и др., начала разделения волокон, а также ускорения процесса замачивания с удалением растворимой части волокон;
2. электроимпульсный разряд в жидкости - для модификации, т.е. дальнейшего ослабления как пектиносодержащих, так и механических связей между волокнами в пучке.
В качестве объекта исследования использовалась отечественная треста технической конопли (пенька) сорта ЮСО-31. Первичная механическая обработка проводилась на оборудовании ООО
Пензенского пенькозавода. Полученное волокно сравнивалось с пеньковым волокном зарубежного производства, полученного методом декортикации (механический способ отделения луба от костры без предварительной мочки). В результате проведенных испытаний выявлены показатели линейных плотностей образцов. Поскольку отечественное волокно сравнимо по линейной плотности с зарубежным, стало возможным продолжить процесс его модификации. Показатели физико-механических свойств модифицированных лубяных волокон показаны в табл. 4.
Таблица 4
Показатели физико-механических свойств модифицированных лубяных волокон
Показатели, размерность Значение показателей образцов
1 2 3 4
Линейная плотность, текс (номер) 2,56 (390,60) 2,36 (423,70) 2,2 (454,50) 4,2 (238,10)
Содержание волокон по классам длин,%
0.15 мм 7,20 7,20 12,10 28,20
15,1.45 мм 44,10 34,40 36,60 51,80
45,1 и более мм 48,70 58,40 44,30 19,90
Средняя массодлина, мм 53,10 52,90 49,70 35,50
Модальная массодлина, мм 35,00 35,00 60,00 40,00
Штапельная массодлина, мм 67,90 72,70 91,80 63,30
В результате ударно-волновой обработки происходит нарушение целостности первичной и вторичной структур конопляных волокон, ослабевают межклеточные связи, тем самым волокно поддается распаду на элементарные волокна. Для полного разделения, параллелизации, снижения доли длинных волокон и оценки показателей физико-механических свойств волокно прочесали на малогабаритной чесальной машине. Линейная плотность отечественного и зарубежного волокна технической конопли показана в табл. 5.
Таблица 5
Линейная плотность отечественного и зарубежного волокон технической конопли
Показатель, размерность Значение показателя
отечественное волокно зарубежное волокно
Линейная плотность, текс (номер) 4,53 (220,80) 3,70.4,33 (230,90.270,30)
Результаты, сведённые в табл. 5 показывают, что усредненная линейная плотность партии конопляного волокна, обработанного ударно-волновым воздействием, гораздо ниже (~ 2,5 текс), чем у той же самой партией, обработанной на оборудовании механической линии ООО НПФ Тексинж (4,2 текс). Линия представлена машинами, предназначенными для глубокой переработки отходов трепания льна (короткого льноволокна), изготовления нетканых материалов технического назначения, смесовой пряжи. В дальнейшем модифицированное конопляное волокно используется в смесях [8].
Технология выработки мягких тканей из конопляного волокна длительная и сложная, поэтому готовые изделия являются элитными и дорогими. Проблема может быть решена путем химической модификации конопляного волокна по аналогии с процессами, разработанными для короткого льноволокна.
Одна из задач химической модификации - разрушение лигнина, входящего в состав средних пластинок, до низкомолекулярных веществ, растворимых в щелочных средах. В исследовании использовали серо- и азотсодержащие восстановители: сульфит натрия №2803, сульфид натрия №2Б, триетаноламин (НОСН2СИ2)3М концентрация восстановителей составляет 5 г/л.
Окислению пероксидам водорода (3,5 г/л) в щелочной среде при температуре 100 0С подвергли лигнин, предварительно обработанный в щёлочно-востановительных растворах. УФ-спектры кадоксеновых экстрактов лигнина были записаны на спектрофотометре.
Увеличение концентрации гидроксида натрия в 7 раз повышает растворимость лигнина лишь в 1,8 раза. Причем даже при концентрации щелочи 20 г/л за 1 час в раствор переходит не более 22% лигнина. По-видимому, высокая устойчивость лигнина конопли к действию щелочи связана с высокой законденсированностью и сложностью строения его молекулы.
В ходе исследования было выявлено, что максимальный эффект (33...38%)при повышении скорости в 1,5.2,0 раза может быть получен только в присутствии восстановителей. При последующем окислении пероксидом водорода растворение лигнина возрастает лишь на 5,8%.
Методом УФ-спектрофотометрии изучены химические превращения, происходящие в лигнине под действием исследуемых систем. Выявлено, что растворение лигнина под действием щёлочно-восстановительных систем обусловлено разрывом эфирных связей, а также отщеплением и переходом в
раствор части фенилпропановых звеньев, а также отщеплением и переходом в раствор части фенилпропановых звеньев. Показано, что действие пероксида водорода направлено на нарушение сопряженной системы двойных связей [9].
Выводы
Анализ результатов проведенных исследований показывает, что конопляное волокно является весьма перспективной сельскохозяйственной культурой, но в Украине используется в узком направлении. Необходимо усовершенствовать и разрабатывать новые технологии производства, которые позволяют повысить степень использования всех составляющих компонентов растения, создать благоприятные условия для различных модификаций конопляного волокна, что позволит планомерно развивать отрасль и получать стабильный доход.
Список используемой литературы
1. Международная ассоциация конопли [Электронный ресурс]: - Режим доступа: www. mojo.calyx. net/-jlsen/HEMP/IHA/.
2. Семак Б.Б. Економiчнi та еколопчш проблеми виробництва та переробки конопель в Укра!ш // Агросвт 2012 - №3. - С.29 - 32.
3. 1нформацшш матерiали до Мiжнародноl науково-практично! конференцп «Проблеми i перспективи розвитку галузi льонарства та коноплярства», м. Глухiв, 10 - 12 лютого 2009 року. -Режим доступу: www.minagro.kiev.ua.
4. Сучасне коноплярство: особливосп, ефектившсть, перспективи [Электронный ресурс]: - Режим доступа: www.agroprod.biz/2018/4/24/suchasne-konoplyarstvo-osoblyvosti-efeltyvnist-perspektyvy/.
5. Крапивина С.А. Плазмохимические технологические процессы / С.А.Крапивина, - Л.: Химия, 1981 - 247 с.
6. Слепнева Е.В., Абдулин. И.Ш., Хамматов В.В. Вестник казанского технологического университета, 2011 - № 6, - С. 155 - 157.
7. Азанова А.А., Нигматзянова Д.М., Низамова Л.Р., Вестник казанского технологического университета, 2012 - № 6, - С.76 - 77.
8. Дорофеев В.В. Разработка и исследование технологии получения модифицированных лубяных волокон на базе ударно-волнового воздействия: кандидат технических наук: 05.19.02 / Дорофеев Вячеслав Валерьевич - 2014.
9. Браунс Ф.Е., Браунс Д.А. Химия лигнина. - М.: Лесная промышленность, 1964 - 163 с.
