Содержание к диссертации
Введение 5
1.Литературньїйобзори постановка задач исследований 12
1.1.Композиционные материалы 12
1.2. Лен, его строение, свойства, первичная обработка сырья 13
1.2.1. Ассортимент льносодержащих материалов 19
1.2.2. Льносодержащие материалы как армирующие структуры композита 22
1.3. Хитозан. Природные источники и условия получения 27
1.3.1. Области применения хитозана 29
1.3.1.1. Сорбционные материалы с использованием хитозана 29
1.3.1.2. Применение хитозана в пищевой промышленности 30
1.3.1.3. Хитозан в медицине и косметике 31
1.3.1.4. Другие области использования хитозана
1.4. Текстильные композиционные материалы 34
1.5. Способы получения композиционных материалов
1.6. Закономерности процесса пропитки волокнистых материалов 40
1.7. Анализ литературных данных. Постановка задач исследований 41
2. Методическая часть 2.1. Объекты исследований 45
2.2. Методы исследований 47
3.Пропитывание текстильных материалов полимерными растворами.
Основные закономерности 50
3.1. Влияние исходных параметров на величину адсорбции хитозананально содержащем материале с ориентированной структурой 50
3.1.1. Изотермы адсорбции хитозана на льносодержащей ткани... 56
3.1.2. Исследования кинетики импрегнирования льносодержащих материалов раствором хитозана 66
3.1.3. Адгезия хитозана к льносодержащим текстильным материалам 71
Выводы по разделу 3.1 76
3.2. Разработка технологии получения композиционного материала с использованием волокнистого прочеса 77
3.2.1. Состав и свойства льносодержащего прочеса 78
3.2.2. Подготовка поверхности пропитываемого материала 80
3.2.3. Основные закономерности и теоретические основы
процесса пропитки 81
3.2.3.1. Основные факторы, влияющие на процесс пропитки 84
3.2.4. Основные положения предлагаемой модели пропитки 86
3.2.5. Результаты расчетов и их экспериментальная проверка 103
3.2.6. Экспериментальное определение оптимальных параметров технологического процесса получения композита «льносодержаїции материал - хитозан» 106
3.2.6.1. Основные параметры, влияющие на процесс получения
композиционного материала 106
3.2.6.1.1. Льносодсржащий материала , 107
3.2.6.1.2. Раствор хитозана 108
3.2.6.2. Основные характеристики получаемого композиционного материала и методы их оценки 109
3.2.6.2.1. Разрывные характеристики 110
3.2.6.2.2. Многоцикловая изгибная выносливость 110
3.2.6.2.3. Стойкость к истиранию 110
3.2.6.3 Экспериментальное исследование параметров раствора хитозана. Подготовка эксперимента и шкала оценки ПО
3.2.7. Описание и принцип работы экспериментальной установки 113
3.2.7.1. Пропиточная часть 113
3.2.7.2. Сушильная часть 114
3.2.7.3. Питающая часть 115
3.2.7.4. Привод 115
3.2.7.5. Блок управления 115
3.2.8. План эксперимента 116
3.2.9. Результаты эксперимента и их обработка 118
3.2.10. Статистическое планирование эксперимента. Методика планирования 121
3.2.10.1. Исследование влияния факторов Х, хг, хз на разрывную нагрузку материала (параметр Yi) 122
3.2.10.2. Исследование влияния факторов хь х2,хз на стойкость КМ кистираншо (параметр Y2) 124
3.2.10.3. Исследование влияния факторов хь х2, х3 на выносливость КМ к многократным изгибам (параметр Y3) 125
Выводы по разделу 3.2 127
4. Физико-механические свойства композиционного материала... 128
4.1. Физико-механические свойства пряжи, импрегнированной хитозаном 130
4.2. Физико-механические свойства ткани, импрегнированной хитозаном 136
4.3. Физико- механические свойства композита с использованием в качестве армирующего компонента волокнистого прочеса 142
Выводы по главе 4 144
5. Разработка схемы технологического процесса получения композиционного материала 146
5.1. Композиционный материал для вкладной стельки обуви 146
5.2. Определение технологических параметров 148
Выводы по главе 5 153
Общие выводы и рекомендации 153
Список использованных источников 156
Введение к работе
С каждым годом увеличивается количество отходов жизнедеятельности человека. Длительные техногенные нагрузки на окружающую среду (воздух, воду и почву) привели к ее загрязнению тяжелыми металлами, радионуклидами, нефтепродуктами и другими вредными для живой природы и человека веществами. Среди разнообразных форм антропогенного воздействия на экологическую структуру Земли и на самого человека среди прочих следует выделить химический фактор, воздействие которого постоянно увеличивалось, что обусловлено развитием промышленности, ростом городов, энергопотребления, увеличением парка автотранспортных средств и др. В связи с этим при разработке новых технологий важнейшим является вопрос экологической чистоты технологического процесса и утилизации отходов производства. С этой целью создаются новые проекты, например Sus CompNet, основанные на использовании биополимеров и натуральных волокон из масел, Сахаров и крахмалов, получаемых из растительного сырья [I]. Рассматриваются преимущества переработки материалов, в том числе композитов, из натурального сырья перед синтетическими. Традиционно вторичной переработке подвергаются бумага, стекло, металлолом, а синтетические волокна и пластик в основном сжигаются. В связи с трудностью утилизации этих материалов возникает вопрос о сокращении производства или их замене, в том числе экологически чистыми композиционными материалами (КМ).
Научно-технический прогресс в настоящее время практически немыслим без развития КМ. Прорыв в новые области знаний, технологий, создание изделий с требуемыми свойствами, резкое улучшение экономических показателей, обретение технико-экономической независимости вследствие отказа от использования дефицитных традиционно применяемых материалов, закупаемых за рубежом - все это возможно только благодаря новым материалам, прежде всего композитам. Развитие и широкое применение КМ является одним из определяющих факторов научно-технического и оборонного потенциалов любой страны.
Непрерывно растущие требования к экологической чистоте производства и потребления полимерных продуктов заставляют исследователей использовать в качестве полимерной матрицы и наполнителей экологически чистые природные полимеры животного и растительного происхождения, а также концентрировать усилия над повторным использованием в композитах материалов как резина, целлюлозосодержащее сырье, многослойные материалы.
Актуальной является проблема использования отходов текстильного производства и продуктов переработки растительного сырья для создания вторичной сырьевой базы.
Переработка различных производственных отходов приобретает все большее значение ввиду обостряющейся проблемы дефицита сырьевых ресурсов и неуклонным ростом цен на них. Одним из наиболее эффективных направлений является разработка новых экологически чистых и экономически выгодных ресурсосберегающих технологий, предусматривающих использование различных видов отходов, образующихся при переработке натурального сырья растительного и животного происхождения.
Кроме того, нельзя обойти вниманием фактор использования отечественной сырьевой базы, что помимо экономической составляющей позволяет сохранить существующие и создать новые рабочие места.
При разработке новых технологий создания композиционных материалов следует исходить из основных принципов, а именно:
- эффективно сокращать технологический цикл в сравнении с известными аналогами;
- разрабатывать новые технологические процессы с использованием вторичного сырья (отходов производства);
- повышать коэффициент использования материалов, добиваясь создания мало и безотходного производства;
- обеспечивать, как следствие, снижение себестоимости продукции;
- рационально решать экологические проблемы производства
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В связи с развитием рыночных отношений, отсутствием сырьевой базы хлопковых волокон из-за распада Советского Союза существует острая необходимость максимального использования природных источников сырья таких, как льняное волокно. Одним из наиболее эффективных направлений является разработка новых экологически чистых и экономически эффективных ресурсосберегающих технологий, предусматривающих использование различных видов отходов, образующихся при переработке натурального сырья растительного и животного происхождения.
Учитывая постоянно ухудшающуюся экологическую обстановку в окружающей среде, при разработке новых технологических процессов и получении материалов, в том числе композиционных, следует исходить из того, что экологически чистым должен быть не только технологический процесс производства материалов, в частности композитов, но и разработка таких композиционных материалов, которые после эксплуатации могут быть утилизированы путем разложения без вредных выделений в окружающую среду. Таким образом, существенную роль в повышении конкурентноспособности на рынке сбыта играет как его экологическая чистота, так и экологическая безопасность технологического производства, эксплуатации и утилизации.
Несмотря на комплекс уникальных свойств, заложенных самой природой в хитозане, в настоящее время практически отсутствует реализация его возможностей путем модификации полимеров растительного происхождения, в частности, льноволокна биополимерами. В связи с тем, что композиционные материалы находят все более широкое применение в различных областях народного хозяйства, актуальной является проблема получения новых композиционных материалов в процессе взаимодействия полимеров из класса полисахаридов - растительного происхождения (льна) и биополимера животного происхождения (хитозана). Оба полимера широко распространены в природе, а также в виде отходов производства. Цель и задачи работы: разработка экологически чистой ресурсосберегающей технологии изготовления композиционного материала с использованием вторичного сырья - отходов хитозана при переработке панцырьевых в пищевой промышленности и отходов льнопроизводства при переработке лубосодержащего сырья в текстильной промышленности, а также коротковолокнистого льна.
В соответствии с этим в работе ставятся следующие задачи:
- Изучить основные закономерности адсорбции хитозана текстильными л ьн о содержащими материалами.
- Изучить влияние структуры армирующего текстильного материала на величину адсорбции связующего
- Изучить термодинамические и кинетические параметры технологического процесса пропитки текстильных материалов раствором хитозана
- Определить адгезионную прочность связующего в межслойном пространстве армирующего ль но содержащего компонента
- Предложить модель пропитки волокнистого прочеса связующим и определить основные параметры процесса пропитки
- Разработать конструкцию и чертежи, а также изготовить лабораторную установку для пропитки волокнистых текстильных материалов растворами полимерного связующего
- Наработать опытные образцы композиционного материала для изготовления обувных вкладных стелек, изучить эксплуатационные характеристики и выдать рекомендации по его изготовлению.
Методы исследования. Работа включает в себя расчетные и экспериментальные исследования процесса пропитки полимерным связующим отходов волокнистых льносодержащих материалов в виде пряжи, ткани и волокнистого прочеса. Теоретические исследования выполнялись с использованием методов математического моделирования, математической статистики, методов планирования эксперимента и ЭВМ, а экспериментальные применением методов, изложенных в ГОСТах, ТУ и разработанных автором. Экспериментальные исследования проводились с использованием приборов и оборудования лабораторий кафедр МТВМ, материаловедения, проблемной лаборатории и лаборатории сертификации университета технологии и дизайна, а также в Техническом университете (С.-Петербургский гос. технологический институт им. Ленсовета) под руководством к.х.н., доц. Шульгиной Э.С. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью программного пакета Microsoft Excel, Statgraphics, Компас и др.
Научная новизна работы. Изучен механизм адсорбции макромолекул полимерного связующего на поверхности льносодержащих текстильных материалов различной структуры.
Разработана модель и определены основные параметры односторонней пропитки волокнистого прочеса полимерным связующим
Выявлена зависимость деформационно-прочностных свойств композита от состава и структуры армирующего материала
Методом отслоения определена адгезионная прочность многослойного тканевого композита на основе хитозана
Изучены термодинамические и кинетические параметры процесса пропитки армирующего волокнистого материала связующим, экспериментально и методом математического планирования определены технологические параметры работы установки для производства материала, предлагаемого для вкладных стелек обуви
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Разработана технология получения композиционного материала для использования в качестве вкладной стельки обуви. На материал и способ его изготовления получен патент.
Разработана конструкция и изготовлена установка для пропитки волокнистого прочеса раствором полимерного связующего, которая используется студентами и аспирантами в учебном процессе и НИРС при изучении процесса пропитки волокнистых материалов различными связующими.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены па научной конференции технологического факультета СПбГУТД в 2002 г., на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ -2005) 22-23 ноября 2005 г. в МГТУ им. А.Н. Косыгина. Отдельные результаты работы включены в отчет по выполнению Международной научной программы «Наука ради мира» по проекту SfP№ 973658 «FLAX» НАТО. 2004 г. По теме диссертации опубликованы следующие работы.
1. Бороздин СВ., Труевцев Н.Н. Получение композиционного материала на льняной основе. Вестник Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов. Дни науки - 2002. СПбГУТД. с. 87
2. Бороздин СВ., Труевцев Н.Н. Создание и свойства композиционного текстильного материала. Вестник научно-технической конференции. Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности. Вып.5. СПбГУТД. 2003 г. с. 80-83
3. Бороздин СВ., Труевцев Н.Н., Борисенко З.В., Шульгина Э.С Импрегнирование льносодержащей ткани растворами хитозана. Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 2004. № 3, с. 59-62.
4. Бороздин СВ., Труевцев Н.Н. Кинетические исследования процесса импрегнирования текстильных материалов растворами аминополисахаридов. Материалы научно-технической конференции. Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной легкой и полиграфической отраслях промышленности. Вып.7. СПбГУТД. 2004 г. с.128-134
5. Бороздин СВ., Труевцев Н.Н., Борисенко З.В., Сизова Е.И., Шульгина Э.С. Разработка технологии получения и изучение свойств композиционного л ьно содержаще го материала. Совершенствование технологии получения и переработки льносодержащей пряжи. Материалы научной конференции по проекту SfP № 973658 «FLAX» НАТО. 30 июня-1 июля 2004 г. СПб. Россия
6. Бороздин СВ., Труевцев Н.Н., Петрова Л.Н., Борисенко З.В. Физико-механические свойства пряжи, импрегнированной хитозаном. Изв.ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 2006 г. № 3. 7. Бороздин СВ., Труевцев Н.Н., Петрова Л.Н. Физико-механические свойства лыюсодержащей ткани, импрегнированной хитозаном в изотермических условиях. Сб. трудов аспирантов. Проблемы экономики и прогрессивные технологити в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности. Вып.10. СПб. 2005 г. с. 88-93
8. Бороздин СВ., Труевцев П.Н., Борисенко З.В., Сизова Е.И. Материал для вкладной стельки обуви и способ его получения. Пат. № 2254795. RU С1 МПК7 А 43 В 17/00. Опубл. 27.06.2005. Бюл. № 18.
9. Бороздин СВ., Труевцев Н.Н., Петрова Л.Н. Влияние хитозана на механические свойства хлопко-льняной пряжи. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ -2005) 22-23 ноября 2005 г. Москва
10. Труевцев П.Н, Зырянов СВ., Бороздин СВ., Аснис Л.М. Трудносгораемый волокнистый наполнитель. МПК7 С 08 L 97/02. Заявка № 2005139500 на патент. Приоритет от 13.12.05 г.
Благодарность. Автор выражает благодарность канд. технических наук Семелькину А.В. за оказание помощи в разработке конструкции и изготовлении установки для пропитки волокнистого прочеса полимерным связующим.
Похожие диссертации на Разработка технологии получения льносодержащего материала для производства вкладных стелек обуви улучшенной гигиеничности
