CC BY
30УДК 677.023.758
C.B. Смирнова
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РЯДА ПРОИЗВОДНЫХ КРАХМАЛА В КАЧЕСТВЕ КЛЕЯЩЕГО
КОМПОНЕНТА ШЛИХТЫ
(Ивановский государственный химико-технологический университет) e-mail: smirnovasv1961 @mail.ru
Исследовано влияние водорастворимых эфиров крахмала на фрикционные и деформационные свойства ошлихтованных хлопчатобумажных и полиэфирных нитей. Показана высокая эффективность использования производных крахмала в качестве клеящего агента шлихты.
Ключевые слова: эфиры крахмала, шлихтование, фрикционные и деформационные характеристики
Для обеспечения экономической и технологической эффективности ткачества необходимо проведение процесса шлихтования пряжи - нанесения на нити основы пленкообразующего адгезивного полимера. Шлихтующими препаратами считаются только пленкообразующие и склеивающие нити вещества [1]. В отечественной текстильной промышленности в качестве клеящего ингредиента для шлихтования традиционно используют нативный крахмал, что обусловлено его относительной дешевизной, надежностью сырьевой базы и полной биорасщепляемостью. Однако крахмал, как агент шлихтования, обладает целым рядом недостатков, из-за чего за рубежом используют только модифицированные формы крахмалов [2,3]. Поиск путей модификации крахмала, исследования по синтезу, изучению свойств и расширению областей его применения проводится постоянно во всех промышленно развитых странах, в том числе и в России [4,5].
В отечественной текстильной промышленности также наметилась тенденция использования модифицированных крахмалопродуктов. Шлихты на их основе при хороших технологических параметрах имеют относительно невысокую стоимость; исходное сырье для их производства имеет растительное происхождение и относится к восполняемым ресурсам; производные крахмала являются биологически разлагаемыми веществами и не вызывают проблем с утилизацией. Еще одно преимущество модифицированных крахмалов — это их растворимость в воде, облегчающая как нанесение шлихты на пряжу, так и расшлихтовку ткани (необходимое удаление шлихты с прошедшего ткачество полотна). Крахмал является полимером из группы (углеводов) полисахаридов, многоатомным спиртом. Реакции этерифика-ции позволяют получать множество его производных, которые, благодаря модификации их структуры, дают возможность приспособиться к инди-
видуальным требованиям шлихтования самых разнообразных волокон. В настоящее время разработаны многочисленные рецептуры шлихт на основе модифицированных крахмалов. В большинстве случаев они основаны на использовании в качестве основного клеящего компонента импортных продуктов (как правило, произведенных фирмами Аграна или Эмсланд Штарке).
Целью настоящего исследования была оценка возможности и эффективности применения ряда отечественных продуктов, производства ЗАО «Полицелл» в качестве клеящего компонента шлихты для целлюлозной и полиэфирной пряжи. В качестве объектов исследования в работе выбраны водорастворимые сорта эфиров крахмала, такие как: карбоксиметилированные крахмалы (КМК), КМК - ОК, КМК - БУР, комплексный полимерный реагент (ПСБ), которые имеют ряд специфических свойств: высокую загущающую и стабилизирующую способность, псевдопластичность, термостабильность [6].
В водных растворах эфиры крахмала образуют однородные коллоидные системы. Приготовленная на их основе шлихта при пропитывании нити заполняет свободные пространства между волокнами и прилипает к ним. Нанесение шлихты на волокно во многом определяется ее вязкостью. Слишком вязкая шлихта плохо проникает в толщу нити и остается на ее поверхности (пленка шлихты в этом случае быстро разрушается при механических воздействиях и эффект шлихтования исчезает); наоборот, очень жидкая шлихта проникает в нить, но не образует требуемой защитной пленки на ее поверхности (в этом случае нить теряет гибкость и становится слишком жесткой и неподатливой к деформациям). Изучение вязкостно-реологических свойств шлихтующих препаратов позволит решить вопросы разработки низковязкой шлихты с хорошим пленкообразованием. Одним из важнейших технологических показателей качества
ошлихтованной нити, от которой зависят разрывные и износоустойчивые характеристики основ, является, приклей, т.е. количество шлихты, уносимое пряжей. Он зависит, в основном, от адгезионной способности шлихтующей композиции [7].
В табл. 1 приведены значения динамической вязкости растворов шлихты на основе производных крахмала, а также величины приклея при различных концентрациях шлихтующих препаратов в растворе. Обработка пряжи проводилась на лабораторной шлихтовальной машине с контактной сушкой. В качестве субстрата применялись хлопчатобумажная (№ 34) и полиэфирная (№ 27) пряжа. Шлихтование проводилось при температуре 40°С, сушка при 150 - 180°С. Перед измерениями пряжу выдерживали в эксикаторе при определенной влажности. Концентрация исследуемых препаратов в рабочей ванне варьировалась от 0,5 до 3%.
Данные табл. 1 свидетельствуют о том, что исследуемые растворы дают невысокие значения приклея как на хлопчатобумажной, так и на полиэфирной нити. Так, после шлихтования исследуемых нитей растворами на основе КМК и ПСБ, приклей составил в среднем 1,5 - 1,8%. Шлихтование составами на основе КМК-ОК и КМК БУР 1 приводит к результатам, существенно отличающимся по своим диапазонам для волокон различной природы. Приклей на хлопчатобумажной пряже составляет — 1,3 — 2,3%, на полиэфирной пряже - 2,4 — 2,9%. Все полученные величины приклея в 2 и более раза отличаются от традиционного для крахмальной шлихты диапазона от 4 до 6%. Кроме того, можно отметить, что между величиной вязкости и приклеем не существует прямопропорциональной зависимости. Например, при высокой вязкости растворов шлихты на основе ПСБ (44,85 мм2/с) - значение показателя приклея шлихты на хлопчатобумажной и полиэфирной нитях составило в среднем около 1,8%, а при более низкой вязкости растворов шлихты на основе КМК БУР 1 (м.В) (1,83 мм2/с) этот показатель равен 2,99%. Это свидетельствует о специфическом сочетании факторов проникновения коллоидного раствора шлихтующего агента вглубь пряжи с поверхностным пленкообразованием.
Для всех исследованных производных крахмала увеличение их концентрации в растворе приводит к экспоненциальному росту динамической вязкости шлихты. В подавляющем большинстве случаев превышение некоторой пороговой величины вязкости (около 14-17 мм2/с) приводит к затруднению проникновения шлихты внутрь пряжи. Следствием этого является общее снижение приклея с дальнейшим ростом вязкости. Иссле-
дуемые эфиры крахмала дают прозрачные, нейтрально реагирующие, нетоксичные растворы, практически все они имеют стабильную вязкость и устойчивы в течение 24 ч.
Таблица 1
Физико-механические свойства шлихты на основе
производных крахмала Table 1. Physical-mechanical properties of size based on starch derivatives
№ Шлихтующий препарат Концентрация шлихтующего препарата, % Динамическая вязкость, г|, mmVc Приклей, %
хлопок полиэфир
1 КМК 0.5 3,15 2,08 1,45
2 1.0 7,79 1,54 1,91
3 1.5 18,47 1,41 1,70
4 2.0 - 1,18 1,13
5 3.0 - 1,10 2,86
6 КМК-ОК 0.5 3,39 2,21 2,88
7 1.0 5,47 2,62 2,72
8 1.5 11,84 1,27 3,07
9 2.0 - 1,71 2,46
10 3.0 - 1,38 1,51
11 КМК БУР 1 0.5 3,25 1,28 2,59
12 1.0 6,08 1,61 3,67
13 1.5 17,33 1,31 3,04
14 2.0 29,37 1,37 2,01
15 3.0 32,97 1,28 2,96
16 КМК БУР 1 0.5 1,83 2,99 2,80
17 1.0 7,97 2,05 1,69
18 1.5 20,09 2,28 2,78
19 2.0 39,01 1,00 1,55
20 3.0 - 3,15 3,07
21 ПСБ 0.5 3,66 1,78 1,78
22 1.0 7,25 1,72 1,63
23 1.5 14,06 1,27 1,03
24 2.0 25,81 1,63 1,76
25 3.0 44,85 1,85 1,78
Для достижения хорошего эффекта шлихтования и обеспечения бесперебойной работы ткацкого производства необходимо, чтобы пленка шлихты обладала хорошим сцеплением (адгезией) с волокном и достаточной внутренней прочностью (когезией). Косвенными показателями адгезионных и когезионных свойств шлихты являются фрикционные и деформационные характеристики ошлихтованной пряжи [8].
Фрикционные свойства пряжи характеризуются величиной динамического коэффициента трения нити по металлу - чем он ниже, тем легче происходит движение нитей на текстильных машинах. В работе экспериментально определены значения динамического коэффициента трения обработанных нитей по металлической поверхности при различных концентрациях клеящего аген-
та (табл. 2). Сравнительный анализ фрикционных свойств исследуемых нитей, приведенный в табл. 2, показывает, что шлихтование всеми растворами во всем анализируемом диапазоне концентраций улучшает трение скольжения нити по металлу: значения динамических коэффициентов трения как полиэфирной, так и хлопчатобумажной нити после обработки заметно снижаются. Динамический коэффициент трения хлопчатобумажной пряжи после шлихтования составами на основе КМК-ОК и ПСБ снижается на 35-50%, полиэфирной нити — на 45-50%. Использование остальных составов на основе производных крахмала позволяет снизить трение хлопчатобумажной пряжи в среднем на 25-35%, полиэфирной - на 35-45%.
Таблица 2
Фрикционные характеристики ошлихтованной пряжи
Большое значение для процесса ткачества имеет жесткость нити. Общие нормы жесткости нити пока не приняты, но на основании накопленного экспериментального материала в качестве ориентировочных данных установлено, что, на-
пример, для хлопчатобумажной пряжи № 54 коэффициент жесткости ниже 4,5 и выше 9 не удовлетворяет требованиям технологии ткачества: первая величина жесткости недостаточна и вызывает в процессе ткачества пушение нити и затруднения при ликвидации ее обрыва, а при коэффициенте жесткости 9 и выше — нить хрупкая и при изгибах ломается [9]. С целью улучшения поведения пряжи на ткацком станке для каждого номера пряжи с учетом вырабатываемого артикула ткани должна быть определена своя оптимальная величина жесткости. Жесткость мягкой пряжи зависит от номера пряжи: чем выше номер пряжи, тем ниже жесткость.
Таким образом, дополнить картину изменения физико-механических свойств ошлихтованной пряжи можно, проанализировав показатели жесткости пряжи, приведенные в табл. 2. Анализируя данные таблицы, можно сказать, что показатель жесткости хлопчатобумажной пряжи после шлихтования практически всеми шлихтующими составами повышается. В большей степени это наблюдается для хлопчатобумажной пряжи после шлихтования растворами на основе ПСБ (в некоторых случаях до 25-28%). Жесткость полиэфирной пряжи повышается после шлихтования в среднем на 10-15%. Таким образом, практически все исследуемые составы для шлихтования придают пряже необходимую жесткость.
Существует мнение, что увеличение жесткости пряжи, в общем случае, всегда приводит к снижению трения пряжи о металлические части гарнитуры ткацкого станка и улучшению фрикционных характеристик. Анализ данных табл. 2 показывает, что для полиэфирной пряжи это утверждение справедливо для всех исследованных продуктов за исключением КМК-БУР (м. В) (для него наблюдается противоположная зависимость). Для хлопковой пряжи монотонное снижение динамического коэффициента трения с ростом жесткости пряжи происходит только в случае КМК-БУР (м. Н) и ПСБ. Для модифицированных крахмалов марок КМК и КМК-БУР (м. В) величина коэффициента трения хлопковой пряжи проходит через максимум примерно в середине исследованного диапазона жесткостей, а для КМК-ОК, начиная с жесткости 7,5 см2, имеет тенденцию к повышению с ростом жесткости пряжи.
При шлихтовании основные нити покрываются пленкой, предохраняющей волокна от разрушения, кончики волокон приглаживаются и приклеиваются к поверхности нити, усиливается сцепление между волокнами. Для характеристики физико-механических свойств пряжи, ввиду легкости их определения, наиболее широко исполь-
Table 2. Frictional characteristics of the sized yarn
№ Шлихтующий препарат Концентрация, % Динамический коэффициент трения нити по металлу Показатель жесткости, см"2
хлопок полиэфир хлопок полиэфир
1 Мягкая пряжа 0.460 0.562 7.19 9,90
2 КМК 0.5 0.307 0.327 8.06 10.14
3 1.0 0.381 0.363 7.76 10.14
4 1.5 0.272 0.356 7.55 9.83
5 2.0 0.280 0.304 8.50 10.63
6 3.0 0.277 0.303 7.72 10.75
7 КМК-ОК 0.5 0.254 0.317 7.72 8.86
8 1.0 0.265 0.279 6.96 9.77
9 1.5 0.289 0.315 8.59 10.01
10 2.0 0.241 0.289 7.96 10.75
11 3.0 0.226 0.263 7.47 11.73
12 КМК БУР1 (марка Н) 0.5 0.269 0.312 8.81 9.69
13 1.0 0.295 0.334 7.48 8.03
14 1.5 0.306 0.304 7.76 10.82
15 2.0 0.347 0.337 8.31 9.53
16 3.0 0.369 0.321 7.35 10.08
17 КМК БУР1 (марка В) 0.5 0.247 0.262 8.31 10.61
18 1.0 0.262 0.281 7.59 10.01
19 1.5 0.299 0.332 7.78 11.19
20 2.0 0.369 0.394 7.96 10.71
21 3.0 0.298 0.316 8.54 10.14
22 ПСБ 0.5 0.241 0.299 8.45 9.59
23 1.0 0.287 0.306 8.27 10.68
24 1.5 0.261 0.269 8.03 11.04
25 2.0 0.238 0.289 8.37 12.47
26 3.0 0.298 0.305 7.80 11.49
зуются полуцикловые показатели, отражающие предельные возможности пряжи — нагрузку, выдерживаемую пряжей до момента разрыва, и удлинение. Как показывает практика, удовлетворительная проходимость пряжи на ткацком станке наблюдается уже при повышении прочности после шлихтования на 6%-15%. Повышение же прочности на 20% и более дает ломкую нить и может вызвать увеличенную обрывность. Особое значение для эффективности переработки пряжи и нитей имеет равномерность обработки [10].
В табл. 3 приведены значения разрывной нагрузки и разрывного удлинения ошлихтованных нитей. Разрывная нагрузка волокнистого материала характеризует его прочность — способность воспринимать растягивающие усилия, не разрушаясь, и является одним из основных показателей качества пряжи.
Таблица 3
Анализ данных табл. 3 показывает улучшение прочностных характеристик ошлихтованных нитей, разрывная нагрузка нитей после шлихтования большинством составов повышается: хлопка в среднем на 5-6%, полиэфира - на 15-20%.
Повышение прочности нити после шлихтования не всегда является признаком того, что пряжа стала лучше и обрывность ее на станках будет меньше. Во время образования зева и, особенно, в момент прибоя уточин бердом к опушке ткани основные нити подвергаются значительному натяжению. Испытания пряжи показали, что уменьшение обрывности во многом зависит от ее разрывного удлинения, т.е. эластичности. Разрывное удлинение пряжи определяется приращением длины образца к моменту разрыва и характеризует полную деформацию растяжения текстильных нитей.
Из данных, приведенных в табл. 3, видно, что шлихтование всеми составами в большей или меньшей степени повышает эластичность ошлихтованных полиэфирных нитей. Шлихтование хлопчатобумажной пряжи составами на основе карбоксиметилкрахмала, в большинстве случаев, увеличивает разрывное удлинение в среднем на 810%, полиэфирной - на 4-6%. Очевидно решающее влияние на прочность нитей, ошлихтованных эфирами крахмала оказывает адгезия пленки к волокну, а не когезионная связь макромолекул в пленках шлихтующего препарата. Анализ прочностных характеристик ошлихтованной пряжи приводит к выводу о том, что наилучшие результаты (максимальные разрывные нагрузки и разрывное удлинение) достигаются при величинах приклея около 2% для хлопка и 1,5-3% для полиэфира.
Диапазон оптимальных концентраций был определен для всех исследованных препаратов. Полученные результаты представлены в табл. 4.
Таблица 4
Оптимальные концентрации шлихтующих препаратов в растворе Table 4. Optimal concentrations of the sizing reagents in solutions
№ Препарат Диапазон оптимальных концентраций для, г/л
хлопка полиэфира хлопок+полиэфир
1 КМК 5-15 5-10 5-10
2 КМК-ОК 10-15 10-20 10-15
3 КМК БУР1 (марка Н) 5-12 5-30 5-12
4 КМК БУР1 (марка В) 10-15 5-15 10-15
5 ПСБ 15-25 10-20 15-20
Таким образом, в результате проведенных исследований была установлена эффективность использования для хлопчатобумажной и полиэфирной пряжи водорастворимых производных крахмала, которые сообщают исследуемым текстильным материалам необходимые для успешно-
Прочностные характеристики ошлихтованной пряжи Table 3. Strength characteristics of the sized yarn
Шлих- л ^ Разрывная Разрывное
№ тующии Конце] трация, нагрузка, Р, гс/текс удлинение, %
препарат ХЛОПОК полиэфир хлопок полиэфир
1 Мягкая пряжа 11.44 27.59 5.07 23.0
2 0.5 12.38 34.33 5.72 25.4
3 1.0 12.01 30.91 5.29 24.04
4 КМК 1.5 12.48 28.73 5.48 21.36
5 2.0 10.49 32.40 4.64 22.44
6 3.0 11.85 36.55 4.8 24.4
7 0.5 11.55 28.79 4.88 22.62
8 1.0 12.18 32.55 5.28 23.12
9 КМК-ОК 1.5 12.36 31.46 5.68 23.08
10 2.0 11.34 32.72 5.4 23.76
11 3.0 11.34 32.82 5.48 22.8
12 0.5 11.59 32.67 5.2 22.75
13 КМК БУР1 1.0 12.18 35.28 5.5 21.96
14 (марка Н) 1.5 11.08 38.66 5.07 23.56
15 2.0 11.89 40.68 5.3 23.35
16 3.0 11.25 33.21 4.8 22.55
17 0.5 11.15 29.85 5.48 21.82
18 КМК БУР1 1.0 12.59 31.98 6.31 22.92
19 (марка В) 1.5 12.25 32.18 5.85 22.93
20 2.0 10.83 30.42 5.64 23.16
21 3.0 11.47 31.58 5.52 22.53
22 0.5 10.74 30.49 5.36 22.4
23 ПСБ 1.0 11.38 34.68 4.62 24.1
24 1.5 11.07 40.20 5.44 25.72
25 2.0 12.06 36.13 4.92 23.38
26 3.0 11.78 32.38 5.4 23.24
го проведения процесса ткачества фрикционные и деформационные свойства: снижают в среднем на 30-40% (в зависимости от волокна) трение нити по металлу и, одновременно, на 10-20% повышают прочность нити, эластичность и жесткость.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хвала А., В.Ангер R Текстильные вспомогательные вещества. М.Легпромиздат. 1991. Т. 1. 425 е.;
Khvala A., Agner V. Textile auxiliaries. M.: Legpromiz-dat.1991. V. 1. 425 p. (in Russian).
2. Mostafa Rh.V., El-Sanabary A.A. // Advances in Polymer Tecnology. 2012. V. 31. L. 1. P. 52-62.
3. Hui Xiao, Wei Zhang // Journal of Sustainable Development. 2009. V. 2. N 3. P. 172-175.
4. Кряжев B.H., Романов B.B., Широков B.A. // Химия растительного сырья. 2010. № 1. С. 5-12;
Kryazhev V.N., Romanov V.V., Shirokov V.A. // Khimiya Rast. Syrya. 2010, V. 1. P. 5-12 (in Russian).
5. Хамматова B.B. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2005. Т. 48. Вып. 2. С. 65-67;
Khammatova V.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2005. V. 48. N 2. P. 65-67 (in Russian).
6. Головков П.В., Казанцев B.B. // Сб. мат-лов X Всеросс. научно-техн. конф. «Эфиры целлюлозы и крахмала: синтез, свойства, применение». Владимир. 2003. С. 107-108;
Golovkov P.V., Kazantzev V.V. // Proceedins of the 10th All-Russian scientific and technical conference "Cellulose ethers and starch ethers: synthesis, properties and applications". Vladimir, 2003, P. 107-108 (in Russian).
7. Потягалов А.Ф. Шлихтование основ. M.: Гизлегпром. 1959. 326 е.;
Potyagalov A.F. Warps sizing. M.: Gizlegprom. 1959. 326 p. (in Russian).
8. Смирнова C.B., Леднева И.А., Комарова H.P. Разработка составов для низкотемпературного шлихтования нитей. М.: ВИНИТИ № 898-В2001 от 6.04.01. 9 С.; Smirnova S.V., Ledneva I.A., Komarova N.R. Recipes development for cold sizing. M.: Dep.VINITI N 898-B2001. 6.04.01. 9 p. (in Russian).
9. Рыбакова B.M. Технология шлихтования хлопчатобумажной пряжи.Иваново: Ив.книжн.изд-во. 1957, 165с.; Rybakova V.M. Cotton yarn sizing technology. Ivanovo: Iv.knizn.izd. 1957. 165 p. (in Russian).
10. Смирнова C.B. // Сб. мат-лов Всеросс. XI научно-техн.
конф. с междунар. уч. «Эфиры целлюлозы и крахмала:
-
232;
Smirnova S.V. // Proceedings of the 11th All-Russia scientific and technical conference with internation participants "Cellulose ethers and starch ethers: synthesis, properties and Vladimir, 2007, P. 230-232 (in Russian).
Кафедра химической технологии волокнистых материалов
УДК 541.64:547.995
Е.А. Мелша, И.М. Липатова
ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ НАПОЛНИТЕЛЯ И МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ НА СТРУКТУРУ ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЫ В НАПОЛНЕННЫХ ХИТОЗАНОВЫХ ПЛЕНКАХ
(Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН) e-mail: aay@isc-ras.ru
Исследованы закономерности влияния природы наполнителя и механической активации формовочных суспензий в роторно-импульсном аппарате на физико-механические и сорбционные свойства композиционных пленок на основе хитозана. Показано, что механо-акустическое инкорпорирование наполнителей позволяет увеличить прочность наполненных хитозановых пленок более чем в 4 раза.
Ключевые слова: хитозан, роторно-импульсный аппарат, механо-акустическое воздействие, наполнители
Интерес к практическому использованию композитов на основе хитозана, содержащих тонко диспергированный функциональный наполнитель, неуклонно возрастает, что связано с расширением исследований в области модифицирования и переработки этого природного полисахарида в
изделия различного назначения. Такие композиты могут представлять интерес для использования в качестве сорбентов, раневых покрытий, гибридных мембран, комплексных каталитических систем, защитных пленок для пищевых продуктов и др. В связи с этим, важно располагать обобщен-
