Наукові основи технологічних процесів одержання модифікованого лляного волокна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський державний технічний університет

УДК 633.521.677.017

Наукові основи технологічних процесів одержання модифікованого лляного волокна

05.18.03 - первинна обробка та зберігання продуктів рослинництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Валько Микола Іванович

ХЕРСОН 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському державному технічному університеті

Міністерство освіти та науки України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Чурсіна Людмила Андріївна

Херсонський державний технічний університет, зав. кафедри переробки, стандартизації і сертифікації сировини

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Березненко Микола Петрович, Київський національний університет технологій та дизайну, проректор з наукової роботи;

доктор технічних наук, професор Хайліс Гедаль Абрамович, Луцький державний технічний університет, професор кафедри сільськогосподарського машинорбудування;

доктор сільськогосподарських наук , професор Андрушків Михайло Іванович, Інститут землеробства і тваринництва західного регіону УААН, головний науковий співробітник лабораторії рослин

Провідна установа: Національний аграрний університет , кафедра технології зберігання та переробки продукції рослинництва

Захист відбудеться 11 грудня 2002 р. о 10 годині на засідання спеціалізованої вченої ради Д 67.052.02 Херсонського державного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон - 8, Бериславське шосе, 24

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського державного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон - 8, Бериславське шосе, 24

Автореферат розісланий 8 листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Сумська О.П.

Анотація

Валько М.І. Наукові основи технологічних процесів одержання модифікованого лляного волокна. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.03 - первинна обробка та зберігання продуктів рослинництва. - Херсонський державний технічний університет, Херсон, 2002.

В результаті комплексних досліджень фізико-хімічного складу стебла льону і лляного волокна на різних етапах його первинної обробки з позиції механіки розроблено наукові основи технологічних процесів одержання модифікованого лляного волокна, що дало можливість знайти нові технічні рішення в технології первинної обробки льону. Теоретично виведено й експериментально доведено функціональні залежності найважливіших фізико-механічних показників якості трести від умов проведення процесу розстилання лляної соломи. Доведено, що первинне формування прядильних властивостей лляного волокна відбувається на стадії приготування трести. Досягти бажаної міцності і відокремлення волокна від деревини в процесі розстилання можна встановленням потрібної тривалості розстилання.

На підставі аналізу процесу плющення стебел трести як багатошарової конструкції, розроблено уявлення та знайдено характеристики фізико-механічних параметрів процесу плющення і м'яття та встановлено оптимальні параметри руйнування деревної частини стебел з метою збереження цілісності волокон. Розглянуто явище тіпання відходів тіпання МТА, як фактор, що визначає остаточне відокремлення присушистої костриці від волокон. Встановлено, що розміри поля тіпання сучасних тіпальних машин КПА недостатні для підвищення інтенсивності їх очищення. Розроблено конструкцію тіпального вузла, що позбавлений недоліків сучасних КПА. Розроблено методологію створення технологій одержання модифікованих лляних волокон із запланованими властивостями.

Ключові слова: треста, розстилання, лляна солома, фізико-механічні властивості, коротке лляне волокно, розщеплення, луб'яне волокно.

Аннотация

Валько Н.И. Научные основы технологических процессов получения модифицированного льняного волокна. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.18.03 - первичная обработка и хранение продуктов растениеводства. - Херсонский государственный технический университет, Херсон, 2002.

В результате комплексных исследований физико-химического состава стеблей льна и льняного волокна на разных этапах их первичной обработки с позиции механики разработаны научные основы технологических процессов приготовления модифицированного льняного волокна, что позволило найти новые технические решения в технологии первичной обработки льна. Теоретически установлена и экспериментально доказана функциональная зависимость наиболее важных физико-механических показателей качества тресты от условий проведения процесса расстила льняной соломы. Доказано, что первичное формирование прядильных свойств льняного волокна происходит на стадии приготовления тресты. Достичь желаемой прочности и отделяемости волокна от древесины в процессе расстила можно выбором необходимого времени расстила.

Теоретически выведена и экспериментально доказана функциональная зависимость качества модифицированных льняных волокон от условий механической обработки тресты в процессах плющения, мятья и трепания. Разработана теория разрушения стеблей тресты льна как многослойной конструкции, состоящей из разных компонентов - волокна и древесины. Доказано, что различие физико-механических свойств слоев такой конструкции способствует различному их поведению при механической обработке.

На основании теоретических и экспериментальных исследований определено, что процесс плющения стеблей льняной тресты происходит в несколько этапов, каждый из которых характеризуется качественными изменениями структуры. Показано, что возникновение локальных ячеек разрушения - субмикротрещин в нагруженных участках стебля в начале процесса сопровождается ростом числа таких трещин, а не их размеров. Когда количество субмикротрещин достигает критического значения, они начинают сливаться и образуют магистральную трещину, которая и приводит к разрушению конструкции технического волокна и распад его на несколько элементарных. С учетом химического состава и физико-механического строения стебля тресты льна впервые предложена модель многослойного цилиндра для механического выделения льняного волокна в процессе плющения. Предложено рассматривать процесс механического разрушения льняного сырья на стадии плющения как трехфазный:

1) пластическая деформация, которая способствует вытягиванию волокон;

2) деформация структуры за счет упругой и высокоэластичной составляющей стеблей, вследствие чего происходит разрушение древесной части;

3) необратимые деформации и разрушение внутренних связей волокнистой части стебля.

Установлено, что при отсутствии достаточно высокой прочности связи между слоями, последние могут при растяжении работать самостоятельно и разрушаться отдельно, причем это касается как однородных, так и неоднородных слоев льняного стебля. При значительных деформациях, которым подвергается волокно, происходит его послойное разрушение. Релаксационные процессы усадки волокна и древесины происходят с разной скоростью. В участках с меньшей нагрузкой релаксация происходит быстрее, вследствие этого возникает различие в усадке длины между соседними слоями. Внешне усадка проявляется в виде своеобразных морщин на поверхности материала.

Установлено, что прочность структуры стебля льна зависит от толщины его внешнего слоя. Достаточно толстый внешний слой тресты льна, где находятся лубяные волокна, имеет более высокий показатель прочности не только по сравнению с тонким слоем, но и с волокнами, где отсутствует такой слой. Показано, что сохраняется качественное соотношение для внутренних и внешних слоев: разрывная нагрузка и разрывное удлинение внешних слоев больше, чем у внутренних.

Рассмотрены разновидности разрушения и разделения текстильного сырья и предложено для производства модифицированных льняных волокон применять способы разрушения лубяных растений с использованием небольших скоростей: отделение волокна от древесины, сдвиг при плющении и изгибе-изломе. Кинематика таких процессов определена, известны направления движения волокнистого материала и костры. Для определения условий разрушения составлены системы уравнений сил, а для их решения установлены жесткость материала, удельная прочность материала и некоторые другие показатели.

Показано, что отделение волокна от древесины стебля льна должно происходить под некоторым углом по отношению к оси стебля. Для отрыва волокна необходимо приложить минимальное усилие, при условии направления силы под углом, близким к 90°. Установлено, что разрывная нагрузка льняного волокна больше показателя удельного сопротивления сцепления волокна с древесиной в 100-200 раз, поэтому отделение волокна от древесины является безопасным для сохранения качества льняных волокон.

Установлено, что отделение волокна от древесины при плющении зависит от угла обхвата стеблей валком, а сила нагрузки валка на слой стеблей, необходимая для сдвигания волокон, зависит от размеров плющильного валка и напряжения в камбиальном слое стебля.

Показано, что жесткость стеблей тресты льна определяется ее диаметром. Сделан вывод, что диаметр стеблей при плющении является основной характеристикой сырья при разработке технологических режимов модификации льняного волокна.

Разработана методология создания технологий модификации льняных волокон. Физико-механические основы разрушения и разделения компонентов структуры тресты льна позволяют создавать ресурсосберегающие технологии с планируемыми свойствами готовой продукции.

Ключевые слова: треста, расстил, льняная солома, физико-механические свойства, короткое льняное волокно, расщепление, лубяное волокно.

Annotation

Valko N.I. Scientific fundamentals of technological processes of manufacuring modified flax fibers.-Manuscript.

The dissertation for the Doctor of Technical Sciences degree on speciality 05.18.03 - primary processing and storage of vegetation products. - Kherson State Technical University, Kherson, 2002.

Complex examinations of a physicochemical composition of flax stalk and linen fibers at the different stages of primary processing have been carried out. From the position of mechanics, the scientific fundamentals of technological processes of manufacturing modified flax fibers have been developed. They have enabled to find new technical solutions in technology of primary flax processing. Functional dependencies of major physical-mechanical indices of trusts quality on the terms of the flax straw dew-retting process have been theoretically deduced and experimentally demonstrated. It's been proved that the primary shaping of the flax fiber spinning properties takes place at the stage of flax stock. Through installation of the required duration of the dew-retting process it is possible to achieve advisable strength and cleavage fibers from the wood during dew-retting.

The analysis of squeezing process of flax trusts stocks as a multi-layer construction has been conducted. Representations designed, of physical-mechanical parameters of squeezing process are found. The optimal parameters of destruction of the flax stocks wooden part are defined, with the wholeness of fibers. There has been studied the phenomenon of low-quality wastes handling as the factor defining final eduction of non-fibrous admixtures. It's been found that the sizes of a handling field of modern handling machines are not sufficient for the increase of their clearing intensity. Construction of a handling unit, deprived of the drawbacks pertaining to modern linen machines, has been designed.

The methodology for creating technologies of manufacturing modified flax fibers with the advisable properties has been developed.

Basic words: flax stock, dew-retting, flax straw, physical and mechanical properties, short flax fiber, cleavage, bast fiber.

1. Загальна характеристика роботи

Впровадження ринкових відносин в Україні потребує повного забезпечення текстильних підприємств якісною вітчизняною сировиною, широкого розвитку виробництва високоякісних текстильних товарів, розробки нових і удосконалення існуючих технологій, розширення асортименту та підвищення якості продукції всіх галузей, що входять до складу легкої промисловості. Вагомий внесок у забезпечення конкурентоспроможності текстильного виробництва робить лляна галузь. Проте первинна обробка волокон льону пов'язана зі значними труднощами, що обумовлені структурою та властивостями самої сировини і багатоетапністю й різноманітністю технологій переробки льону-довгунця в товари народного споживання та технічного призначення.

Актуальність теми. Властивості волокон льону формуються на всіх технологічних етапах їх виробництва. Найважливішими процесами, що суттєво впливають на прядильні властивості лляного волокна, є дотримання агротехнічних умов вирощування і збирання, вибір способу приготування трести, підготовка трести та її первинна обробка, що включає м'яття, тіпання й трясіння сировини. Технологія первинної обробки льону базується на механічній дії робочих органів обладнання на стебло та сирець і тому в кожному наступному технологічному процесі відбувається поступове розщеплення комплексних технічних волокон на окремі й очищення їх від неволокнистих домішок. Завершується формування прядильних властивостей лляного волокна лише після опоряджувальних операцій з використанням хімічних речовин.

За існуючою в Україні технологією обробки сухої трести фактичний вихід довгого волокна дорівнює 7-9,5% від маси сировини, а з відходів тіпання можна отримати 19-23% сильно засмічених кострицею коротких волокон. Лише частина коротких волокон після додаткового очищення знаходить застосування у виробництві нетканих матеріалів або для виготовлення грубих кручених виробів - шпагатів. Решта коротких волокон використовується в будівництві.

Розробка сучасних технологій первинної обробки льону, спрямованих на вирішення екологічних, економічних і сировинних проблем, є основним і актуальним напрямком фундаментальних наукових досліджень як за кордоном, так і в Україні. Поліпшити якість лляного волокна та виробів з нього при зменшенні витрат на їх виробництво і відповідно кількості вторинних відходів можна шляхом створення нових технологій первинної обробки льону на основі досліджень механізму біологічних, механічних і фізико-хімічних процесів обробки сировини.

Створенню нових цілеспрямованих технологій виготовлення волокон з певними, наперед запрограмованими властивостями, перешкоджає обмежена кількість системних наукових досліджень із питань формування властивостей і взаємного впливу технологічних операцій на формування прядильних властивостей волокна залежно від цільового призначення. Через відсутність наукових основ технологічних процесів одержання модифікованого лляного волокна при впровадженні у виробництво нових матеріалів переважає емпіричний підхід.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження виконано на кафедрі переробки, стандартизації і сертифікації сировини Херсонського державного технічного університету відповідно до завдання, передбаченого Державною програмою розвитку легкої промисловості України на період до 2000 року, постанови Кабінету Міністрів України від 22 квітня 1997 р. за № 378 “Про заходи щодо стабілізації та збільшення обсягів виробництва льоно- та коноплепродукції”, плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти України та рішення експертної ради (протокол №2 від 25.12.96 р.), державної програми Міністерства науки України (наказ №102 від 23.04.97 р.) і тематичних планів кафедри переробки, стандартизації і сертифікації сировини Херсонського державного технічного університету (ХДТУ).

У виконанні науково-дослідних робіт роль автора полягає у визначенні чинників, що впливають на формування найважливіших фізико-механічних показників якості трести і розробці на основі одержаних даних технології виготовлення модифікованих лляних волокон, що забезпечує підвищення якості волокон і можливість розширення асортименту тканин з вкладенням льону.

Мета і задачі дослідження полягали у розвитку наукових основ створення технологічних процесів і оптимальних режимів для поглибленої обробки луб'яних текстильних матеріалів з новими фізико-механічними властивостями, які відповідали б сучасним вимогам текстильних виробництв. Для вирішення цієї важливої народногосподарської проблеми потрібно розв'язати такі задачі:

встановити функціональну залежність якості трести від відомих вхідних параметрів: хімічного складу стебел, тривалості розстилання, ступеня підготовки трести;

обґрунтувати наукову концепцію створення оптимальних режимів плющення стебел лляної трести з метою видалення з неї модифікованих лляних волокон;

встановити функціональні закономірності зміни якості волокна під впливом різних режимів плющення для трести, одержаної з районованих сортів льону-довгунця, агротехнічні умови вирощування яких відрізняються;

встановити теоретичні залежності параметрів інтенсифікації обробки відходів тіпання від необхідних якісних показників модифікованого лляного волокна;

створити науково обґрунтовані технології одержання модифікованих лляних волокон;

теоретично обґрунтувати прогнозування показників якості модифікованих лляних волокон, що враховують особливості нових технологічних операцій;

розробити методологію одержання модифікованих лляних волокон з прогнозованими якісними показниками шляхом впровадження розроблених технологічних операцій і обладнання.

Об'єкт дослідження: наукові основи процесів модифікації лляних волокон.

Предмет дослідження: лляне волокон різних способів приготування.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач керувалися фізико-механічним підходом до об'єкта та предмета дослідження.

Технічні волокна льону складаються з елементарних волокнин, що склеєні пектиновими речовинами. Процес первинної обробки і технологічні операції прядіння льону супроводжуються дробленням технічних волокон і відокремленням елементарних волокон.

Технологічний процес тіпання супроводжується видаленням з сирцю деревних залишків і коротких волокон.

Технологічну цінність вихідної лляної трести визначають за комплексним показником якості, що складається з одиничних показників: довжини стебел, діаметра, придатності, кольору, вмісту волокон і міцності.

В процесі біохімічного приготування лляної трести відбуваються суттєві зміни хімічного складу сировини, що впливають на фізико-механічні показники якості лляного волокна.

Перетворення лляної соломи в тресту супроводжується змінами внутрішньої структури стебла: змінюються розміри і форма поперечника елементарних волокон, луб'яні жмути відокремлюються від деревини.

В процесах механічної і хімічної обробки питома вага модифікованих лляних волокон змінюється за рахунок руйнування і видалення окремих компонентів їх структури.

З урахуванням вищезазначеного для вирішення сформульованих задач використано:

розрахунковий метод оцінки номера лляного волокна залежно від ступеня розщеплення і визначення кількості можливих відходів тіпання та костриці - залежно від параметрів трясіння;

аналітичний метод визначення комплексного показника якості трести залежно від одиничних фізико-механічних показників та вмісту целюлози й лігніну, а також від умов формування волокон і напівфабрикатів;

мікроскопічний метод визначення ступеня відокремлюваності луб'яних жмутів від деревини, руйнування пектинових речовин - залежно від тривалості розстилання, розмірів та форми поперечника елементарних волокон залежно від стиглості стебел льону;

гідростатичний метод визначення питомої ваги модифікованого волокна залежно від режимів хімічної обробки;

пікнометричний метод визначення питомої ваги і ступеня розщеплення модифікованого волокна залежно від режимів механічної і хімічної обробки;

фізико-механічний метод визначення показників якості соломи і трести, а також волокна залежно від складу відходів тіпання.

При обробці експериментальних даних використано методи математичної статистики та статистичний аналіз результатів експерименту з використанням комп'ютера класу РС/АТ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

отримали розвиток наукові основи теорії механічного руйнування рослинної сировини, зокрема теоретичні уявлення про процеси, що мають місце на стадії плющення, м'яття і тіпання льону;

показано, що зміна розривного навантаження лляного волокна в процесі біологічного приготування трести відбувається за експонентою;

показано, що для формування різних типів модифікованого лляного волокна, призначеного для змішування з іншими натуральними і хімічними волокнами, визначені певні терміни біохімічної обробки;

вперше запропонована фізико-механічна концепція видалення волокна з лляної трести, яка враховує наявність різних компонентів у складі лляного стебла;

теоретично обґрунтовано руйнування лляної сировини в процесі плющення на основі закону Гука, що забезпечує роз'єднання деревної і луб'яної частин при збереженні цілісності волокон;

показано, що руйнування лляного стебла відбувається в три фази, в кожній з яких розвиваються пластичні деформації, що спричиняють зсув окремих шарів і деформування структури трести;

показано, що параметри технологічних процесів обробки лляної сировини знаходяться у функціональній залежності від жорсткості стебел, модуля пружності і діаметра стебел;

показано, що модифікації лляних волокон можна досягти в результаті механічної обробки відходів тіпання при різних кінематичних параметрах транспортування сировини у вузлах живлення куделеприготувальних машин;

визначені граничні значення оптимальних параметрів налагодження окремих вузлів куделеприготувальних агрегатів для одержання модифікованих лляних волокон з прогнозованими властивостями;

запропоновано оцінювати якість модифікованих лляних волокон середньою масодовжиною Lg, модальною масодовжиною Lm, штапельною довжиною Lш, базою В5 та рівномірністю, а характер зміни засміченості лляних волокон в процесі обробки на тіпальних машинах КПА - визначати функцією Річардса типу У=а/(1+еb-cx)1/d, що дозволяє поліпшити якість і достовірність оцінки волокна;

теоретично обґрунтована, розроблена і впроваджена нова технологічна реконструкція тіпальних барабанів для двосторонньої обробки волокнистого шару відходів тіпання, що дозволяє досягти найбільш ефективної обробки різних груп волокон, незалежно від місця їх розташування в шарі;

розроблено методологію створення технологій виробництва модифікованих лляних волокон, що дає можливість одержувати лляні волокна з запланованими властивостями при зменшенні енерговитрат на їх виробництво.

В процесі проведення досліджень автором отримані такі основні наукові результати:

показано, що фізико-механічні показники якості модифікованого лляного волокна залежать не тільки від його хімічного складу, але й від ступеня підготовки трести;

встановлено, що в процесі біохімічного перетворення лляної соломи в тресту відбуваються найважливіші зміни хімічної структури лляного волокна, що під час подальшої обробки впливає на технологію його модифікації;

встановлено тривалість біохімічної обробки трести розстиланням для одержання модифікованих лляних волокон різного призначення;

показано, що схема розвитку процесу руйнування залежить від величини прикладеного механічного навантаження, та геометричних параметрів плющильних валків, зокрема від їх радіуса і кута обхвату стеблини валком;

встановлено, що при плющенні трести залежність напруження у камбіальному шарі стебел від геометричних розмірів валка має гіперболічний характер, а від показника тиску - лінійний;

показано, що довжина зламування стебел у м'яльних парах, при якій можливе відокремлення волокна від деревини, має бути меншою за критичну довжину, аби залишити структуру волокна неушкодженою;

встановлено, що жорсткість стебел льону обумовлюється їх діаметром і може бути основною характеристикою при розробці технологічних режимів модифікації лляного волокна;

показано, що структура лляної трести в процесі механічної обробки має розглядатися як багатошаровий циліндр, внаслідок чого спрощується уявлення про природу зсуву і відокремлення луб'яної частини стебел відносно деревної;

встановлено, що інтенсивність очищення відходів тіпання від неволокнистих домішок може бути збільшена відомими в технології первинної обробки льону прийомами, зокрема збільшенням відносної швидкості і кількості робочих пружків, що одночасно знаходяться в полі тіпання та збільшенням розмірів самого поля тіпання і застосуванням пружків спеціальної синусоїдальної форми;

показано, що тіпальні вузли сучасних КПА з прямолінійними пружками з товстолистової сталі можуть бути ефективними лише при переробці ослабленої і перележаної трести;

показано, що в технології трясіння відходів тіпання частота коливань голок і кути розмаху мають бути обмежені, що дозволяє уникнути розривання лляних волокон і скручування їх у жмути;

розроблено технологію одержання високоякісних модифікованих лляних волокон, придатних для застосування в прядінні разом з іншими натуральними і хімічними волокнами, що дозволяє суттєво розширити асортимент тканин.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

у створенні умов для розширення обсягів використання ефективної і економічної технології виготовлення високоякісних лляних волокон за рахунок розробки наукових основ технологічних процесів одержання модифікованих волокон, придатних для переробки і створення нових видів побутових тканин;

у зниженні собівартості очищених від неволокнистих домішок лляних волокон, одержаних за запропонованою технологією;

у спрощенні умов керування технологічним процесом облагороджування відходів тіпання;

у реалізації нових способів організації технологічного процесу для одержання модифікованих лляних волокон, що передбачають: застосування диференціації процесів плющення і м'яття сировини, використання тіпальних машин з барабанами великих діаметрів і робочими пружками спеціального профілю, регулювання рівня стиснення волокнистого шару відходів перед тіпанням та інтенсивності трясіння у машинах із верхнім і нижнім гребеневим полем, використання різних способів вкорочення довгих лляних волокон, що входять до складу відходів тіпання, з метою вирівнювання їх фізико-механічних властивостей, що дозволяє розширити спектр застосування модифікованих волокон і визначити оптимальний спосіб їх підготовки залежно від цілеспрямованого застосування лляного волокна.

Теоретичні розробки автора широко використовують інші науковці при інтерпретації результатів виготовлення модифікованого лляного волокна, при прогнозуванні результатів роботи заводів первинної обробки луб'яних волокон і визначенні придатності сировини до переробки, розробці основ створення конкурентоспроможної продукції.

Розроблені технології виробництва модифікованого лляного волокна використовують на передових текстильних підприємствах України: ВАТ “Льонокомбінат Старосамбірський” (Львівська обл.), Коростишівському льонозаводі (Житомирська обл.), Дубровицькій бавовнопрядильній фабриці “Дубротекс” (Рівненська область) і можуть бути реалізовані на льонозаводах України.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці наукових основ технологічних процесів одержання модифікованого лляного волокна з запланованими властивостями у вигляді встановлених закономірностей і положень, постановці задач, виборі об'єктів та методів досліджень, організації і проведенні експериментів, застосуванні в дослідженнях математичних методів планування і функцій, що описують досліджувані явища, узагальненні отриманих результатів, формулюванні загальних висновків, розробці й впровадженні розроблених технологій одержання модифікованого лляного волокна. На основі глибокого теоретичного аналізу автор вивів функціональні залежності зміни найважливіших фізико-механічних показників якості волокна - засміченості і розщепленості від параметрів роботи технологічного устаткування. Розроблено теоретичні уявлення про вплив умов формування луб'яних волокон і первинної обробки лляної сировини на властивості лляного волокна і цілеспрямоване застосування модифікованого лляного волокна. Розроблено основні наукові принципи побудови як окремих процесів, так і технології у цілому та прогнозування властивостей готової продукції. При аналізі окремих елементів технології особливу увагу приділено їх спільному впливу на отримання запланованих властивостей модифікованого лляного волокна. Методологія оцінки чинників, що впливають на властивості лляного волокна, передбачає використання диференційних рівнянь для опису технологічних процесів переробки лляної трести й відходів тіпання. Розв'язуючи ці рівняння, автор визначив раніше невідомі властивості шару волокнистої сировини й вплив характеру її нерівноти на якість готової продукції.

Основний внесок автора полягає у розвитку наукових основ технологічних процесів одержання модифікованого лляного волокна в процесі первинної обробки льону.

У всіх наукових працях, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належать: отримання експериментальних даних, основні ідеї опублікованих праць, а також теоретичне обґрунтування, аналіз і узагальнення результатів роботи, висновки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на Всеукраїнській науково-технічній конференції “Проблеми легкої і текстильної промисловості на порозі нового століття” (м. Херсон, 1999 р.), Міжнародній конференції молодих вчених і викладачів (Москва, МТІ, 1985 р.), Всеукраїнських науково-технічних конференціях “Проблеми легкої і текстильної промисловості України” (м. Херсон, 2000-2001 р.р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизація виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2002 р.), наукових конференціях Херсонського державного технічного університету (1982-1998 р.р.).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковано у 35 наукових працях: 20 з них - опубліковано у провідних фахових наукових виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків.

Дисертація містить 347 сторінок машинописного тексту, 81 таблицю, 80 рисунків, 421 найменування літературних джерел. Обсяг додатків - 14 сторінок.

2. Основний зміст роботи

У вступі викладено актуальність теми дисертації, основні положення досліджуваної проблеми, визначено мету та завдання досліджень, наукову новизну та практичну значущість отриманих результатів.

У першому розділі наведено огляд літератури за темою і вибір напрямків досліджень технології одержання модифікованого лляного волокна. Зазначено, що в основі процесів первинної обробки луб'яних волокон лежать первісні властивості текстильних матеріалів - фізичні і фізико-механічні та характер їх зміни в процесі формування і приготування трести. Показано, що на підприємствах лляної галузі має місце надзвичайно низький рівень використання виробничих потужностей і що Україна сьогодні не забезпечує текстильну промисловість високоякісним лляним волокном.

При аналізі робіт останніх років виявлено відсутність системних наукових досліджень з питань формування властивостей і взаємного впливу технологічних операцій на формування прядильних властивостей лляного волокна залежно від цільового призначення, а також відсутність наукових основ технологічних процесів одержання модифікованого лляного волокна, тому при впровадженні у виробництво нових текстильних матеріалів переважає емпіричний підхід.

Відомості про структурні рівні льону та зв'язки між елементарними волокнами у складі комплексного технічного волокна дають можливість говорити про стебло льону-довгунця як про систему, до якої можна застосувати статистичні закони термодинаміки. Вивчення природи явищ при різних фізико-механічних і фізико-хімічних діях на стебло льону і волокно створило основу для подальшого розвитку теорії одержання модифікованого лляного волокна.

Нині недостатньо вивченими залишаються зміни, що відбуваються в структурі лляної соломи і трести при руйнуванні цілісності стебла, особливо для сировини різного рівня готовності до механічної обробки.

Не менш важливим є вивчення способів енергетичного впливу на з'єднання деревини з луб'яними волокнами. Аналіз літературних даних свідчить про суттєву перевагу динамічних методів руйнування зв'язків порівняно з статичними. У зв'язку з цим виникає необхідність визначення комплексних фізико-механічних характеристик матеріалів статичними і динамічними методами на основі сучасного математичного апарату та засобів дослідження властивостей лляного волокна.

Аналіз науково-технічної літератури дав можливість сформулювати мету, завдання та гіпотезу про вплив на формування споживчих властивостей модифікованого лляного волокна умов його формування і механічної та біохімічної обробки, що описуються функціональними залежностями. Це дозволило надалі розробити наукові основи технологічних процесів виготовлення модифікованого лляного волокна із запланованими властивостями.

У другому розділі наведено характеристику сировини, напівфабрикатів і матеріалів, їх властивості і методи дослідження. Використані в роботі предмети дослідження наведено в табл.1, а методи та досліджені залежності - в табл.2.

Використання комплексу методів дослідження і планування експерименту дозволило розробити моделі досліджуваних процесів і оптимальні технології виробництва модифікованого лляного волокна.

У третьому розділі розглянуто питання про взаємозв'язок між показниками якості лляного волокна і технологічними параметрами приготування трести. Наведено характеристику біохімічних процесів приготування трести льону розстиланням, луб'яного матеріалу і способів перетворення соломи льону у тресту, а також аналіз причин можливого впливу різних чинників на формування якості лляного волокна. Необхідність спеціального розгляду проблем льонарства і промисловості первинної обробки льону викликана тим, що ця галузь є основою сировинної бази лляної промисловості, а в останні роки і бавовняної, та специфікою встановлених поміж ними зв'язків. Спільний розгляд аграрного і промислового аспектів проблем дозволяє краще висвітлити особливості й напрямки розвитку технології приготування трести у виробництві високоякісного волокна льону для забезпечення текстильної промисловості сировиною.

Приготування трести розстиланням лляної соломи на луках і ланах слід вважати найкращим способом з точки зору отримання високоякісного волокна. “М'який” режим обробки, чергування операцій зволоження і підсушування, руйнування і видалення рослинних клітин стебла, активне вентилювання сприяють отриманню досить розщепленого, з високою міцністю волокна, позбавленого запаху. Рошенцеве волокно придатне для виготовлення усіх, без винятку, видів текстильних виробів.

В результаті аналізу біохімічних процесів приготування трести розстиланням встановлено, що на першому етапі первинної обробки волокна, тобто на стадії приготування трести, відбуваються найважливіші зміни структури волокон, які обумовлюють подальше його використання. Велику увагу слід приділяти стадії підготовки трести для розробки оптимальної технології модифікації лляних волокон.

Для перетворення у високоякісне модифіковане волокно, лляна сировина повинна пройти ряд технологічних операцій, кожна з яких спричиняє певні зміни її хімічного складу. Систематичне проведення технічного контролю виробництва не тільки забезпечує правильне проходження виробничого процесу, але й має переваги: виготовлення продукції тільки вищого ґатунку, підтримання нормальних умов праці тощо. Контролюючи зміни в хімічному складі лляного стебла на різних стадіях його обробки - від лляної соломи до вибіленої пряжі, можна не тільки констатувати факти певних змін, але й прогнозувати, як ці зміни можуть впливати на властивості напівфабрикатів та готової продукції. З цією метою було визначено кількісний вміст головних компонентів стеблини льону, починаючи з моменту збирання лляної соломи. Взагалі ретельні спостереження за змінами хімічного складу сировини під впливом біохімічних та механічних дій під час первинної обробки потрібно проводити на всіх етапах, включаючи остаточне опорядження виробів з лляного волокна.

Встановлено, що головними компонентами лляної стеблини є: целюлоза, пектинові та азотисті речовини, лігнін, воскові речовини, зола та волога. Взагалі до складу стебла льону входить близько 50 хімічних речовин. В утворенні їх бере участь більшість хімічних елементів. Наявність тих чи інших хімічних речовин впливає на формування властивостей лляного волокна.

Гігроскопічність, як найважливіший показник якості лляних волокон, пов'язана з вмістом в них колоїдних речовин гідрофільного характеру - головним чином пектинових та азотистих речовин, а також наявністю солей. Порівнюючи хімічний склад чесаного лляного волокна в межах одного номера, слід зазначити, що витримані при однакових умовах (t=20°C; W=65%) зразки волокон мають різну вологість. Помічена тенденція зростання вологості волокон льону при збільшенні втрат маси після росяного чи водного мочіння. Під час такої обробки видаляються, головним чином, пектинові та азотисті речовини.

Лляне волокно, що втрачає воскові речовини після лужної обробки, але повністю зберігає пектини та азотисті речовини, має досить високі гігроскопічні властивості. Найважливішою органічною речовиною, що є головним компонентом луб'яних волокон, слід вважати целюлозу. Весь технологічний процес первинної обробки, і особливо її найголовнішої операції - приготування трести, має бути побудований з орієнтацією на збереження целюлози від втрат та пошкодження. Встановлено, що в процесах біологічного приготування трести вміст целюлози поступово зростає за рахунок видалення інших компонентів стебла, що руйнуються (рис.1).

Луб'яна частина стебла містить 63,44% целюлози, 2,23% лігніну, майже повністю тут сконцентровані віск, зола та продукти, що руйнуються в процесі розстилання льону. Для поліпшення прядильних властивостей лубу слід добиватися видалення лише тих пектинів, що оточують луб'яні жмути зовні, залишаючи пектин серединних пластинок - первинної мембрани між елементарними волокнами. Ці пектини мають бути збережені до прядіння, бо вони забезпечують необхідну міцність з'єднання компонентів пряжі. Остаточне їх видалення виварюванням можливе в готовій пряжі чи тканині. Таким чином, знання хімічного складу стебел льону у поєднанні з особливостями готової продукції лляної галузі дають можливість впливати на вибір засобів обробки цих стебел та облагороджування їх луб'яної частини.

Встановлено, що зміна розривного навантаження лляного волокна в процесі біологічного приготування трести відбувається за експонентою і може бути відображена закономірністю . Графічне зображення функції зміни розривного навантаження волокна в процесі біологічного приготування трести наведено на рис.2. Стала величина К являє собою такий проміжок часу, протягом якого Р зменшиться у “е” разів. Функціональна залежність зміни відокремлюваності трести від терміну розстилання виражається закономірністю:

.

Запропоновані залежності й криві, що відбивають їх характер, дозволяють досить чітко орієнтуватися в змінах якості сировини і призначати режим переробки з метою отримання високоякісного лляного волокна.

У четвертому розділі наведено фізико-механічну теорію одержання лляних волокон в технологічних процесах первинної обробки.

Механічні та інші фізичні властивості лляних волокон хоч і залежать в кінцевому результаті від їх молекулярної будови, але передаються через надмолекулярну організацію. На цьому базується структурна механіка волокон. Технічні лляні волокна являють собою системи, внутрішньо пов'язані силами подвійної природи: міцними хімічними зв'язками, що з'єднують атоми в молекули, та слабшими силами, що пов'язують макромолекули між собою. Подвійна природа сил зв'язку обумовлює можливість існування двох способів механічного руйнування структури технічних волокон льону: 1) руйнування самих макромолекул; 2) перегрупування макромолекул внаслідок переміщення одних відносно інших. Труднощі полягають у визначенні відносної ролі кожного з цих процесів в руйнуванні технічного волокна. На молекулярному рівні механічне руйнування технічних волокон льону відбувається шляхом збільшенням кількості субмікророзколин.

Теоретичне обґрунтування технологічних процесів первинної обробки луб'яної сировини проведено на основі використання методу аналогій з теорією опору матеріалів. Модель стебла льону являє собою товстостінний багатошаровий циліндр, що складається з декількох тонших труб, надітих одна на одну. Це дозволило уявити поведінку реального об'єкта за певними його характеристиками і ознаками та з'ясувати внутрішній механізм процесів руйнування структури стебла при механічних діях на нього.

За фізичну модель технічного лляного волокна прийнято багатошаровий циліндр. Залежно від міцності зв'язку між шарами можуть бути реалізовані три випадки:

1. Повна відсутність зв'язку між шарами волокон. В цьому випадку шари волокон будуть релаксувати незалежно один від одного. Це спричиняє розшарування технічних волокон на елементарні, тобто суттєві зміни їх форми. Такий випадок характерний для перележаної та перемоченої лляної трести (рис.3).

2. Висока міцність зв'язку між шарами завдяки наявності значної кількості структурних елементів, що переходять з одного шару в інший. Ці прохідні елементи виконують роль амортизаторів, що опосереднюють швидкість збігання шарів та сприяють рівномірному розподілу виникаючих напружень, перешкоджають виникненню різниці в довжині різних шарів волокна та можливим змінам форми матеріалу. Такий випадок характерний для лляної соломи та недолежаної чи недомоченої трести.

3. Зв'язок між шарами волокон слабкий, тобто в межах фізичної моделі характеризується незначною кількістю прохідних елементів. Характерний приклад - рошенцева та моченцева лляна треста нормального ступеня готовності.

Луб'яне волокно нормального рівня стиглості завжди існує як міцне єдине тіло, тому послаблення зв'язку між шарами може мати лише локальний характер. Причиною послаблення міцності зв'язку між шарами може бути розривання внаслідок термічної, біологічної, хімічної чи механічної деструкції окремих частин структурних елементів, що забезпечували зв'язок внутрішніх та зовнішніх шарів у вихідній сировині. В цьому випадку кількість прохідних елементів, що збереглися, вже недостатня, щоб протистояти виникненню різниці за довжиною. Під дією механічних деформацій таке технічне волокно досить легко розпадається на елементарні волокна.

В межах кожного шару волокна існують внутрішні неоднорідності, що пов'язані з умовами вирощування льону. Тому, хоч деформація конструкції стеблин в цілому не буде відповідати гранично орієнтованому стану, в місцях таких неоднорідностей можуть виникати перенапруження, достатні для розривання зв'язків і формування локальних субмікророзколин. Чим більша відмінність в упорядкуванні макромолекул на поверхні та всередині волокон, тим нижче їх механічні властивості: вище крихкість та жорсткість.

В результаті аналізу літературних джерел встановлено залежність міцності волокна від товщини його зовнішнього шару. Волокна з достатньо товстим зовнішнім шаром мають більш високий показник міцності не тільки порівняно з волокнами з незначною товщиною шару, що можна пояснити збільшенням однорідності волокна, але й порівняно з волокнами, де майже відсутній зовнішній шар. В міру видалення зовнішніх шарів волокон знижується розривне навантаження і розривне подовження волокна. В цілому зберігається якісне співвідношення для зовнішніх та внутрішніх шарів волокон:

sзовн > sвн та eзовн > eвн,

де sзовн, sвн, eзовн, eвн - розривне навантаження і розривне подовження відповідно зовнішнього та внутрішнього шарів.

З урахуванням характеристик жорсткості шарів схематичне зображення пошарового руйнування при поздовжньому розтягуванні наведено на рис.4.

Таким чином, при прикладанні до технічного волокна зовнішнього навантаження розтягування, може відбутися обривання внутрішнього шару з подальшим утворенням порожнин за рахунок переміщення центральної частини, за рахунок збігання внаслідок релаксаційних процесів і, зрештою, за рахунок витягування зовнішньої оболонки під дією поздовжніх напружень. Утворення порожнин в волокні призводить до появи локальних перенапружень. Подальше руйнування, як показують спостереження, розвивається по лініям субмікророзколин.

Таким чином, процес руйнування волокон, що розвивається при циклічному деформуванні, є незворотним і складається з декількох фаз: перша фаза - пластична деформація, що спричиняє витягування волокна; друга фаза - деформування структури за рахунок пружної та високоеластичної складової, внаслідок чого відбувається руйнування деревної частини; третя фаза - незворотні деформації і руйнування внутрішніх зв'язків волокнистої частини стебла.

Для луб'яної сировини встановлено такі види руйнування:

- руйнування різноманітних матеріалів з розподілом їх на декілька нових видів та руйнування зв'язку між ядром та оболонкою (декортикація);

- руйнування однорідних матеріалів.

Руйнування першого виду найчастіше зустрічається в процесах переробки текстильної сировини, особливо в первинній обробці лубоволокнистих матеріалів. Складається воно з двох операцій: власне руйнування та розділення, які відбуваються або послідовно (наприклад м'яття і тіпання) або одночасно (декортикація). Якщо напруження структури стебел луб'яної рослини є недостатнім, то замість руйнування спостерігається тертя сировини по поверхні робочих органів. Залежно від того, яким чином підводиться енергія, необхідна для руйнування, розрізняють руйнування при малих швидкостях: роздавлювання, плющення або м'яття стеблин та руйнування при високих швидкостях - тіпання. В табл.3 наведена система різновидів руйнування текстильної сировини.

Процес руйнування лубоволокнистої сировини, з використанням малих швидкостей робочих органів устаткування, обумовлений характером зусиль або деформацій, що прикладаються до неї. У цьому випадку кінематика процесу руйнування визначена, чітко відомі напрямки руху волокнистого матеріалу і часток, що руйнуються та відокремлюються. Для виявлення умов руйнування стеблин досить скласти системи силових рівнянь, а для їх розв'язання необхідні додаткові відомості про жорсткість матеріалу, питоме розривне навантаження волокон та деякі інші. Таке руйнування може розглядатися як статичне.

Руйнування структури лубоволокнистої сировини з використанням високих швидкостей обумовлене показником швидкості робочих органів відносно сировини, що обробляється. Прикладом такої обробки є динамічна або ударна дія на волокнисту сировину з боку робочих органів устаткування (трясіння). В такому випадку залишаються невідомими кінематика процесу і можливі напрямки руху самого матеріалу та часток, що утворюються під час руйнування - волокна та костриці. Умови руйнування структури лубоволокнистої сировини з використанням високих швидкостей можуть бути визначені шляхом складання системи енергетичних рівнянь. Для розв'язання цих рівнянь необхідно знати фізичні константи, що характеризують роботу, витрачену на руйнування рослин, а також енергоємність тіла при ударних процесах. Невизначеність процесу у такому випадку примушує оперувати з найбільш вірогідними умовами руйнування. Найбільш поширеними видами руйнування луб'яних рослин з використанням малих швидкостей робочих органів є відривання волокна від деревини, зсув при плющенні та зрушення при згині-зламуванні. Зусилля відривання волокна від деревини Р, повинно бути орієнтовано під деяким кутом a по відношенню до осі стеблини (рис.5), тому умовою відокремлення волокна є:

Рsina > N, (1)

де N - сила зв'язку волокна з деревиною.

Зусилля відривання Р залежить від розміру частки волокна, що відокремлюється, напруження волокна при розтягуванні та питомого опору зчеплення:

, (2)

де d - напруження волокна при розтягуванні;

s - товщина частки волокна;

b - ширина частки волокна;

k - питомий опір зчеплення;

DL - довжина дільниці, на якій відбувається відокремлення.

Встановлено, що відокремлення волокна від деревини відбувається не одночасно по всій довжині стеблини, а поступово, частками, де розмір дільниці може бути достатньо малим. Якщо припустити, що мінімальний розмір частки волокна, що може одночасно відокремитись від деревини, дорівнюватиме його товщині (DL=d), то . Отже мінімальне зусилля відривання Р буде за умови напрямку сили під кутом 90°, коли можливе відокремлення s>k.

Враховуючи, що міцність волокна під час розриву sрозр у 100-200 разів більше показника k питомого опору зчеплення волокнистого шару з деревиною в тресті, такий спосіб руйнування можна вважати безпечним для волокна.

При плющенні стеблини відбувається зсув шару клітин, серед яких є і жмути волокон. Внаслідок прокатування матеріалу у гладких валках, зовнішні шари зсуваються відносно тих, що знаходяться всередині. Різниця у довжині дільниць зовнішнього та внутрішнього шарів волокон DL може бути визначена за формулою:

DL=ab-ac=R a-R sin a=R(a-sin a) (3)

Відносне подовження луб'яного волокна:

= (4)

Напруження s, що виникає у дільниці волокна внаслідок деформації стеблини згідно з законом Гука дорівнює:

s =, (5)

де Е - модуль пропорційності при розтягуванні волокна.

Для визначення напруження, достатнього для відокремлення волокна від деревної частини стебла льону, потрібно провести розрахунок розподілу напруження на всю деформовану дільницю стеблини. Якщо розподіл напруження відбувається рівномірно на дільниці волокна довжиною L=Rsina (рис.6) та шириною b, то сумарна сила Р дорівнює:

(6)

Сумарна сила зчеплення волокна з деревиною на цій дільниці: К=kR sina b

Для відокремлення волокна від деревини треба щоб виконувалась умова: Р>К, отже

, (7)

звідки d і 2k або:

; (8)

Для відокремлення волокна від деревини при плющенні стеблин у гладких валках необхідно, щоб кут обхвату стеблини валком був більшим ніж . При збільшенні кута обхвату в два рази інтенсивність дії плющильного валка збільшується у 4 рази. Чим більше опір зчеплення, тим більше повинен бути кут обхвату.

Встановлено, що сила тиску валків на шар стеблин, достатня для зсуву волокон, знаходиться у зв'язку з розмірами шару, плющильного валка (R) та напруженням у камбіальному шарі стебла:

, (9)

де dк - напруження у камбіальному шарі стеблини, під час плющення досягає показника межі міцності при зсуві;

R - радіус плющильного валка;

b - ширина шару стеблин, що піддаються плющенню.

На рис.7 зображені залежності напруження у камбіальному шарі від показника тиску (Р) та радіуса плющильних валків R. В першому випадку залежність має лінійний характер, у другому - гіперболічний.

Гіпотеза про причину порушення зв'язку між луб'яною та деревною частинами стебла базується на зсуві волокон в камбіальному шарі під дією горизонтальної складової зусилля розтягування. Експериментальними роботами підтверджено, що сила розтягування волокна в процесі плющення круглими валками майже вдвічі більша, ніж при статичному стисненні.

...