Развитие теории, совершенствование и внедрение технологических процессов мокрого прядения льна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Развитие теории, совершенствование и внедрение технологических процессов мокрого прядения льна

Специальность 05.19.02 -Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Пестовская Е.А.

Москва 2010

Работа выполнена в Военной академии войск радиационной, химической и биологической защиты и инженерных войск (г. Кострома)

и Научно-внедренческом центре «Блеск» (г. Кострома)

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Иванов Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Мовшович Павел Михайлович

ГОУ ВПО «Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности»

доктор технических наук,

профессор Жуков Владимир Николаевич

ГОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет»

доктор технических наук,

профессор Чешкова Анна Владимировна

ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Преодоление кризисного состояния льняной промышленности России требует значительного повышения конкурентоспособности льняных изделий на мировом рынке. Для этого необходимо, прежде всего, повысить качество чистольняной пряжи и эффективность технологических процессов мокрого прядения льна. Существенное повышение эффективности технологического процесса мокрого прядения льна было достигнуто в нашей стране в начале 80-х годов прошлого века разработкой и освоением в производстве интенсивной технологии химической обработки льняной ровницы с применением хлорита натрия. Однако выход на мировой рынок изделий из льна потребовал от наших производителей отказаться от его использования из-за экологической опасности и взрывоопасности, а также высокой токсичности. В связи с этим в 90-е годы прошлого столетия перед отечественной льняной промышленностью встала задача замены хлорита натрия при интенсивной химической обработке льняной ровницы на экологически безопасные, доступные и дешевые химикаты отечественного производства.

Для обеспечения стабильной работы прядильного льняного производства и высоких экономических показателей необходимо было также создать систему технологического контроля и регулирования режимов химической обработки льняной ровницы в зависимости от её качества с целью обеспечения оптимальной работы вытяжного прибора прядильной машины, снижения уровня структурной неровноты льняной пряжи и обрывности. Решение этой сложной научно-технической проблемы потребовало разработки научно-методических подходов к изучению технологических процессов мокрого прядения льна, а именно, физической природы возникновения обрывов и структурной неровноты продуктов прядения в процессе вытягивания льняной ровницы в вытяжном приборе прядильной машины. К настоящему времени не удалось установить теоретической функциональной зависимости обрывности и неровноты по линейной плотности льняной пряжи от свойств волокна, режимов химической обработки льняной ровницы и параметров работы вытяжного прибора прядильной машины. Дальнейшее развитие данного вопроса возможно на основе современных молекулярно-кинетических представлений о прочности волокон, учитывающих релаксационные свойства материала в процессе вытягивания. В связи с этим работа, направленная на решение указанных задач, представляется актуальной.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является совершенствование технологических процессов мокрого прядения льна, значительное снижение обрывности в прядении чистольняной ровницы, структурной неровноты продуктов прядения и обеспечение высокого качества чистольняной пряжи, удовлетворяющего требованиям мирового рынка.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Разработан экспресс-метод анализа структурных параметров технических комплексов волокон и уровня структурной неровноты продуктов прядения (ленты, ровницы, пряжи) на основе спектрального анализа с помощью автоматизированного комплекса КЛА-2;

2. Разработан экспресс-метод анализа степени одревеснения льняных волокон с использованием компаратора цвета КЦ-3;

3. Исследован характер дробления технических льняных волокон в процессах приготовления ленты и суровой ровницы, и определены оптимальные параметры структурной неровноты этих продуктов, обеспечивающие требуемый уровень их качества;

4. Определены параметры структуры технических комплексов волокон и структурной неровноты чистольняной пряжи в зависимости от типа вытяжного прибора прядильных машин ПМ-88-Л8 и ПМ-88-Л5, обеспечивающие минимальный уровень обрывности в прядении и высокое качество чистольняной пряжи средней линейной плотности 56-33 текс;

5. Сформулированы основные принципы создания технологии химической обработки льняной ровницы, обеспечивающей низкий уровень обрывности в прядении и сохранение высокого природного качества льняных волокон в пряже, и разработаны высокоэффективные экологически безопасные бесхлоритные способы химической обработки льняной ровницы на основе сульфитно-щелочной варки, которые используются в настоящее время в льняной промышленности;

6. Исследован процесс вытягивания технических комплексов льняных волокон мокрой ровницы в вытяжном приборе на основе молекулярно-кинетических представлений о долговечности полимерных материалов при растяжении (времени до разрыва), учитывающих релаксационные свойства материала в процессе вытягивания. Определены релаксационные характеристики данного процесса: время релаксации деформации вытягивания ф и отношение времени действия растягивающей нагрузки к времени релаксации t_деф./ф, которые определяют характер кривых утонения и обрывность в прядении льна;

7. Разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать уровень обрывности в мокром прядении льна и структурной неровноты пряжи в зависимости от релаксационных и прочностных характеристик льняной ровницы и параметров работы вытяжного прибора;

8. Разработана методика расчета релаксационных характеристик ровницы в процессе вытягивания по показателям длины и толщины комплексов волокон в ровнице и пряже, быстро и точно определяемых с помощью автоматизированного комплекса КЛА-2;

9. Разработана комплексная система технологического контроля прядильного льняного производства с применением спектральных методов анализа, показавшая высокую эффективность в управлении и оптимизации технологических процессов прядильного льняного производства.

Объектами исследования являются продукты мокрого прядения чистого чесаного льна и технологические процессы их производства.

Предметом исследования является анализ процессов дробления технических комплексов льняных волокон по технологическим переходам и обрывности в мокром прядении льна, и разработка научно-обоснованной высокоэффективной экологически безопасной технологии производства чистольняной пряжи.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов

В работе использованы известные методы определения качественных показателей льняных ленты, ровницы и пряжи по действующим стандартам. Параметры структуры волокон и структурную неровноту продуктов прядения анализировали с помощью автоматизированного комплекса КЛА-2 по разработанным в работе методикам. Степень одревеснения льняных волокон оценивали фотометрическим методом с помощью цветной реакции Мейле, а также экспресс-методом с помощью компаратора цвета КЦ-3. Изменение химического состава и структуры льняных волокон в процессе химического облагораживания анализировали химическими объемно-весовыми и спектральными методами. Для описания релаксационных процессов при вытягивании льняной ровницы в мокром прядении льна использованы механические модели Максвелла и Кельвина-Фойхта. Обработка опытных данных осуществлялась с использованных общепринятых методов математической статистики при 95% доверительной вероятности. Вычислительные процедуры реализовывали с применением ПЭВМ, используя программы Statistica, MathCad 2000, MS Excel.

Научная новизна работы

Новыми являются следующие результаты работы:

1. Разработанные математические модели, позволяющие прогнозировать уровень обрывности в мокром прядении льна и структурной неровноты пряжи в зависимости от релаксационных и прочностных характеристик льняной ровницы и параметров работы вытяжного прибора.

2. Методы контроля параметров структурной неровноты продуктов прядения на основе спектрального анализа, позволяющие обеспечить высокое качество продуктов прядения при минимальной обрывности.

3. Принципы рационального построения технологии химического облагораживания льняной ровницы с применением экологически безопасных химических реагентов, сохраняющей высокое качество льняных волокон и обеспечивающей интенсивное дробление технических комплексов волокон в процессе мокрого прядения льна.

4. Комплексная система технологического контроля прядильного льняного производства с применением спектральных методов анализа, показавшая высокую эффективность в управлении и оптимизации технологических процессов прядильного льняного производства.

На защиту выносятся:

- новые высокоэффективные технологические режимы бесхлоритного способа химической обработки льняной ровницы с применением экологически безопасных химикатов отечественного производства;

- система технологического контроля и регулирования режимов химической обработки льняной ровницы с использованием автоматизированного комплекса контроля неровноты линейной плотности КЛА-2 и компаратора цвета КЦ-3;

- высокоэффективный экспресс-метод спектрального анализа структурной неровноты продуктов прядения льна с использованием автоматизированного комплекса контроля неровноты линейной плотности КЛА-2;

- комплексная система технологического контроля прядильного льняного производства на основе параметров структурной неровноты, обеспечивающая повышение качества и снижение обрывности продуктов прядения.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Впервые в производственных условиях Яковлевского льнокомбината (г.Приволжск, Ивановская обл.) создана комплексная система технологического контроля прядильного льняного производства с использованием автоматизированного комплекса КЛА-2 и компаратора цвета КЦ-3. Проведение такого систематического контроля позволило значительно повысить технический уровень работы прядильного оборудования, снизить структурную неровноту продуктов прядения; достигнуть качества чистольняной пряжи, удовлетворяющего требованиям экспортной продукции, снизить обрывность в прядении. Внедрение в производство нового высокоэффективного бесхлоритного способа химической обработки льняной ровницы позволило стабилизировать работу прядильного производства, снизить обрывность в прядении до уровня 20-30 обр. на 100 вер/час. К 2000 году на Яковлевском комбинате был достигнут самый низкий уровень себестоимости пряжи среди отечественных предприятий. Начиная с 1998 года, 99% продукции этого предприятия реализовывалось на экспорт. Новая бесхлоритная технология была внедрена на основных крупных действующих льнокомбинатах России.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Европейском научном симпозиуме «Flachs - Perspektiven fьr die Zukunft» (Ройтлинген, Германия, 1992); Institut fьr Angewandte Forschung (Fachhochschule fьr Technic und Wirtschaft) (Ройтлинген, Германия, 1992, 1993); на заседании совета текстильного Центра (Болонья, Италия, 1994); на техническом совете фирмы «IGI&IGI» (Ассиси, Италия, 1995); на технических советах льнокомбинатов России: ООО «Яковлевская мануфактура» (г. Приволжск, Ивановская обл.), ОАО льнокомбинат им. И. Д. Зворыкина (г. Кострома), ОАО «БКЛМ» (г. Кострома), ОАО «Вологодский льнокомбинат» (г. Вологда), ОАО «Льнокомбинат» (г. Великие Луки, 2000-2005); на технических советах ОАО «Костроматекстильмаш» (Кострома, 2004, 2005, 2006); на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона ЛЕН-2006» (Кострома, 2006); на V-ой Международной научно-методической конференции «Развитие профессионального инженерного образования: от текстильного института к инновационному университету» (Кострома, 2007); на общероссийском научном семинаре «Технология текстильных материалов АИН РФ им. А.М. Прохорова» (Кострома, 2009); на расширенном заседании кафедры №12 ВА РЗБ защиты и ИВ (Кострома, 2010), расширенном заседании кафедры прядения ГОУ ВПО «РосЗИТЛП» (Москва, 2010), ИХР РАН (Иваново, 2010), ОАО НПК «ЦНИИШерсть» (Москва, 2010).

Публикации. Положения диссертации отражены в 33 публикациях, в том числе 1 монографии, 16 статьях в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 4 статьях в сборниках научных трудов, 4 патентах РФ на изобретения, 8 материалах научно-практических конференций и выставок.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и общих выводов. Работа содержит 230 страниц, из них 28 таблиц, 53 рисунка, список литературы, включающий 129 наименований, два приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость.

В первой главе на основе анализа теоретических и экспериментальных исследований прядильной способности льняных волокон, проведенных А.Н. Соловьевым, П.П. Трыковым, В.П. Комаровым, Л.Н. Гинзбургом, С.Е. Лазаревой, С.П. Тихвинским, А.Н. Ивановым, Н.А. Ординой и другими учеными были выделены следующие основные факторы, определяющие качество льняной пряжи и обрывность в мокром прядении льна: прочность технических комплексов волокон; толщина, длина и количество комплексов волокон в поперечном сечении пряжи; степень одревеснения срединных пластинок в технических комплексах; содержание гемицеллюлоз в волокне; структурная неровнота суровой ровницы; крутка ровницы; прочность ровницы в суровом и беленом виде, характеризующие ослабление связей между волокнами в процессе химической обработки ровницы. Показано, что расчетно-эмпирический метод прогнозирования прочности льняной пряжи в зависимости от свойств волокна, разработанный проф. В.Г. Комаровым, является сложным для практического применения и допускает большое количество приближений, связанных с учетом специфических свойств льняного волокна. Прочность пряжи, ее неровноту и обрывность в прядении невозможно точно прогнозировать исходя из свойств чесаных технических волокон вследствие дробления и утонения комплексных льняных волокон по технологическим переходам прядильного производства, поэтому для контроля и регулирования технологических процессов прядения льняных волокон необходима разработка более точных и быстрых методов экспериментального контроля параметров структуры технических комплексов льняных волокон и структурной неровноты продуктов прядения (ленты, ровницы, пряжи).

Во второй главе рассмотрены особенности неровноты продуктов прядения льняных волокон, её основные виды. Неровнота чистольняной пряжи на порядок выше хлопчатобумажной, поэтому качество льняных тканей, их внешний вид определяются, прежде всего, уровнем неровноты льняной пряжи. Неровнота продуктов прядения обуславливает нестационарность технологических процессов и сильно влияет на эффективность прядильного производства. Показаны недостатки существующих методов контроля неровноты продуктов прядения льна в производственных условиях. По действующему стандарту в технических лабораториях прядильных фабрик определяется квадратичная внешняя неровнота льняной пряжи по линейной плотности и разрывной нагрузке на больших отрезках. Внутренняя структурная неровнота пряжи на коротких отрезках не контролируется, а именно она, в основном, определяет качество льняных тканей и обрывность в прядении. Показано, что наиболее эффективным методом исследования и контроля структурной неровноты является спектральный метод анализа неровноты продуктов прядения по линейной плотности.

В третьей главе рассмотрены возможности спектрального анализа неровноты продуктов прядения по определению параметров структурной неровноты по линейной плотности на основе автоматизированного комплекса КЛА-2, созданного проф. Хавкиным В.П. с сотр. ЦНИИЛКА. С помощью КЛА-2 быстро определяются: параметр неровноты продуктов прядения льна в зоне вытяжного прибора 12-400 мм (квадрат градиента внутренней неровноты) - С_V²[12-400мм]; параметры структуры комплексов волокон в продукте:(толщина комплексов волокон, мтекс); (длина комплексов волокон, мм); и С_l (коэффициент вариации по длине, %), а также осуществляется диагностика периодической неровноты продуктов от дефектов рабочих органов машин. Однако этот прибор не нашел широкого применения в производственных условиях из-за неотработанности методик анализов. Эти методики были разработаны в настоящей диссертации и отработаны в производственных условиях. Приведены результаты экспериментального исследования структурной неровноты продуктов прядения льняных волокон по технологическим переходам. Разработаны требования к качеству продуктов по технологическим переходам производства чистольняной пряжи средней линейной плотности. Рабочие органы вытяжных приборов ленточных и ровничных машин испытывают повышенные нагрузки при переработке грубого волокна, которое в настоящее время в основном поступает в прядение, и достаточно быстро изнашиваются. Это приводит к увеличению структурной неровноты ленты и ровницы, как в зоне действия вытяжных гребенных механизмов, так и периодической неровноты от дефектов, связанных с биением валов и шестерен приводов гребенных механизмов. Поэтому необходимо осуществлять постоянный контроль за техническим состоянием машин льняных ровничных систем и проводить их своевременный ремонт. В работе проведен анализ структурной неровноты ленты и ровницы, а также технического состояния ровничных систем на Василевской фабрике ООО «Яковлевская мануфактура» (г. Приволжск, Ивановская область). В работе ленточных и ровничных машин всех систем были выявлены существенные недостатки, вследствие этого лента и ровница имели очень высокую структурную неровноту в зоне действия вытяжных гребенных механизмов, а также периодическую неровноту из-за биения валов и шестерен машин. Особенно высокую неровноту имела лента с последнего (4-го) перехода ленточных машин. Параметр неровноты C_V² [12-400 мм] ленты изменялся в пределах 55-155. На 3 и 4-й системах спектры неровноты ленты даже зашкаливают, что свидетельствует о полной разладке работы гребенного механизма ленточной машины 4-го перехода. Высокая неровнота ленты обуславливает очень высокую структурную неровноту ровницы. Параметры неровноты ровницы C_V² [12-400 мм] изменяются в пределах 84-130. Спектры неровноты ленты и ровницы до и после ремонта приведены на рис. 1 и 2.

лента

ровница

Рис. 1. Спектры неровноты ленты и ровницы до ремонта оборудования

лента

ровница

Рис. 2. Спектры неровноты ленты и ровницы после ремонта

На основании многочисленных исследований в производственных условиях были установлены рекомендуемые значения параметра неровноты ленты C_V² [12-400мм] на всех четырех переходах ленточных машин (табл.1) и ровницы (табл.2), которые были введены в стандарты предприятия ООО «Яковлевская мануфактура» на качество продуктов прядения.

Таблица 1.

Рекомендуемые значения параметра структурной неровноты C_V²[12-400мм] для чистольняных лент по переходам

Вид ленты	П е р е х о д ы
	I	II	III	IV
Лента из чесаного льна: Низкая неровнота Средняя неровнота Высокая неровнота	10 20 30	10 20 30	15 25 30	20 30 40

Повышение технического состояния ровничных систем улучшило работу гребенных механизмов машин и значительно увеличило степень механического дробления технических комплексов волокон в суровой ровнице.

Таблица 2.

Рекомендуемые значения параметров структурной неровноты чистольняной ровницы

Вид ровницы	Уровень неровноты	CV2 [12-400 мм]	Структурные параметры волокон в ровнице
			, мтекс	, мм	Сl, %
Льняная №1.4-1.5 для Л5 и Л8 машин; №1.25 для Л8 машин	низкий средний высокий	60 80 100	4000 5000 6000	80-110 80-110 80-110	60 70 95

Неровнота пряжи зависит от интенсивности воздействия факторов работы вытяжного прибора: разводки, кратности вытяжки, напряжения поля сил трения. С увеличением интенсивности воздействия этих факторов неровнота пряжи в зоне вытягивания C_V² [12-400мм] растет. Для получения высококачественной пряжи необходимо уменьшать интенсивность воздействия на волокно в процессе вытягивания. Западные фирмы используют в процессе прядения двухзонные вытяжные приборы с короткой разводкой (45-50 мм) во второй зоне, где сечение поля вытягивания приближено к выпускной паре. Это особенно важно при получении пряжи малой линейной плотности, которую необходимо сформировать из очень тонких волокон для обеспечения низкой неровноты. В настоящее время наиболее высокий уровень в прядении льна достигнут в Италии. Нами была исследована структурная неровнота пряжи линейной плотности 11 текс, выработанной на прядильной фабрике в г.Болонья (рис.3). Параметр неровноты C_v² [12-400мм]=617, =460 мтекс, =16 мм, С_l=30%. В поперечном сечении такой пряжи содержится 22-24 комплекса волокон, относительная разрывная нагрузка (ОРН) равна 30 сН/текс. Полученные данные свидетельствуют об очень высоком качестве работы вытяжного прибора прядильной машины. С увеличением линейной плотности пряжу с высоким качеством можно формировать из более толстых комплексов волокон. Так, параметр неровноты пряжи линейной плотности 52 текс (Италия) C_v² [12-400мм]=437, при этом = 1600 мтекс, =25 мм, С_l=40%, число комплексов волокон в поперечном сечении n=32 (рис.4).

Рис.3. Спектр неровноты пряжи линейной плотности 11 текс (Италия):

=460 мтекс, =16.0 мм, С_l= 30%, С_V²[12-400мм]=617

Рис. 4. Спектр неровноты пряжи линейной плотности 52 текс (Италия):

=1600 мтекс, = 25 мм, C_l = 40%, С_V²[12-400мм]=437

Пряжа, вырабатываемая на отечественном оборудовании, имеет более низкое качество, чем приведенная итальянская, так как разводка между цилиндрами в вытяжном приборе составляет 160 мм. На рис.5 приведен спектр неровноты чистольняной пряжи линейной плотности 46текс, полученной на прядильной машине ПМ-88-Л5 Яковлевского льнокомбината (C_v² [12-400мм]=961, =3000 мтекс, =19 мм, С_l=40%). Показано, что

Рис. 5. Спектр неровноты пряжи линейной плотности 46 текс (ПМ-88-Л5, Яковлевский льнокомбинат): = 3000 мтекс, = 19 мм, С_l =40%, С_V²[12-400мм]=961

Пряжа 46текс сформирована из комплексов в два раза более толстых, чем итальянская 52текс, при этом параметр неровноты C_v² [12-400мм] также выше, примерно в два раза. Нами установлено, что для чистольняной пряжи в широком диапазоне линейной плотности 11-56 текс (№90-№17.9) существует четкая линейная корреляция параметра неровноты пряжи в зоне вытяжного прибора C_v² [12-400мм] с числом волокон в поперечном сечении n=пряжи/волокна (рис.6), характерная для пуассоновского распределения волокон в пряже.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Зависимость параметра неровноты С_v² чистольняной пряжи от числа волокон в поперечном сечении n, где К = 1,21 0,01

Также установлено оптимальное значение C_v² [12-400 мм] для льняной пряжи средней линейной плотности, выработанной на отечественных прядильных машинах ПМ-88-Л5 и ПМ-88-Л8, равное 800-850. Такой уровень неровноты пряжи обеспечивает равномерную поверхностную плотность льняной ткани и хороший застил. При увеличении С_V² более 900 возникает поверхностный дефект ткани - муарность. Льняная пряжа с параметром неровноты С_V²=800-850 имеет в поперечном сечении около 20 комплексов волокон, =18-20мм и С_l=40-50%. При этом такая пряжа имеет высокие показатели качества: ОРН более 22 сН/текс, коэффициент вариации по разрывной нагрузке более 18% и относится к группе СЛ 1 сорт. При таком уровне дробления волокон в вытяжном приборе обеспечивается оптимальное сопротивление ровницы вытягиванию, необходимое для его нормальной работы. Нами установлены оптимальные значения , , С_l и C_v² [12-400мм] для разных номеров вырабатываемой на льнокомбинатах льняной пряжи (табл.3).

Таблица 3.

Оптимальные параметры структуры технических комплексов волокон и структурной неровноты различных номеров льняной пряжи

Линейная плотность пряжи, текс	56	56	46	46	33
Прядильная машина	ПМ-88- Л-5	ПМ-88- Л-8	ПМ-88- Л-5	ПМ-88- Л-8	ПМ-88- Л-5
Линейная плотность ровницы, текс	800	800	714	714	555
Средний номер смески	16,0	16,0	16,0	16,0	18,5
Крутка ровницы, кр/м	24	26	28	30	32
Прочность ровницы суровой, сН беленой, сН	2200	3000	2000	2800	1800
	1400	2100	1300	2000	1200
Неровнота КЛА-2, Cv2[12-400] Структура волокон: , мтекс , мм, Сl, %	800	850	850	900	800
	3100 20-18 40	3300 20-18 50	2700 20-18 40	3000 20-18 50	1700 20-18 40

Рекомендуемые показатели структурной неровноты пряжи, ровницы и ленты были использованы при регулировании технологических режимов прядения льна на ООО «Яковлевская мануфактура», а также на всех ведущих льнокомбинатах России.

В четвертой главе приведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку экологически безопасной технологии интенсивной химической обработки льняной ровницы без применения хлорсодержащих окислителей. Согласно принятой в настоящее время модели строения клеточной стенки и межклеточного вещества элементарных волокон льна, они представляют собой сложный комплекс высокомолекулярных соединений - целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ, белков и лигнина, связанных химически в отдельных точках и посредством водородных связей, образующих трехмерную структуру твердого раствора. Наибольшей химической устойчивостью в этой системе обладает лигнин ароматический, сетчатый, нерегулярный полимер, построенный из фенилпропановых структурных единиц, нерастворимый в воде и водных растворах кислот и щелочей. В результате промышленные процессы делигнификации льняных волокон должны осуществляться таким образом, чтобы обеспечить разрыв лигноуглеводных связей в срединных пластинках, разрушить трехмерную сетку твердого раствора и необходимым образом модифицировать лигнин для придания ему гидрофильных свойств. При этом целлюлоза и гемицеллюлозы внутри клеточных стенок элементарных волокон льна, оказывающие важное положительное влияние на прядильную способность льняных волокон, не должны подвергаться деструкции. В результате проведенного анализа различных способов делигнификации растительных целлюлозных материалов впервые предложено для эффективного удаления лигнина из льняной ровницы перед прядением использовать сульфитную варку в щелочной среде вместо экологически опасного беления хлоритом натрия в кислой среде.

Основной реакцией в сульфитной варке является сульфитирование лигнина - введение сульфогрупп SO₃H в боковую цепь фенилпропановых структурных единиц C₆C₃ под действием нуклеофильных реагентов SO₃H и SO₂²:

CH₂OH + Na₂SO₃ CH₂OSO₂Na + NaOH

Введение сульфогруппы придает лигнину гидрофильные свойства. Нами были изучены закономерности процесса делигнификации стланцевых льняных волокон при сульфитной варке в щелочной среде. При этом обнаружен эффект значительного увеличения растворимости лигнина при введении в варочный раствор наряду со щелочными агентами кальцинированной содой и щелочью сульфита натрия в соотношении г/л:

Na₂CO₃ : NaOH : Na₂SO₃ = 18-20 : 4,0 : 7-10

Установлено, что указанный эффект наблюдается только в узком интервале температур варки - 92-94°С. При повышении температуры более 95°С степень удаления лигнина из срединных пластинок технических комплексов волокон в процессе сульфитно-щелочной варки резко уменьшается (рис.7). Это обусловлено протеканием обратной реакции - конденсации лигнина. В оптимальных условиях сульфитной варки удаление лигнина и химическое облагораживание льняной ровницы протекает аналогично хлоритному белению в кислой среде. Сульфитно-щелочная варка стланцевой льняной ровницы в течение 60 мин при температуре 94°С позволяет снизить степень одревеснения льняных волокон с 30% до 15%. При этом гемицеллюлозы и целлюлоза не подвергаются деструкции (таблица 4).

Рис. 7. Влияние температуры сульфитно-щелочной варки на изменение степени одревеснения стланцевого волокна (время варки -60 мин)

Таблица 4.

Изменение показателей физико-химических свойств льняных волокон после сульфитно-щелочной обработки

Показатели	Исходная суровая ровница	Обработанная ровница
		сульфитно-щелочная варка
Целлюлоза, %	75,0	84,0
Гемицеллюлозы, %	8,7	7,4
Пектины, %	1,10	0,10
Лигнин, %	3,55	1,90
Белки, %	1,5	0,25
Степень одревеснения срединных пластинок, %	30	14-15
Удельная вязкость 0,1%-ного медно-аммиачного р-ра	3,01	2,91

Предварительная мягкая окислительная варка в присутствии пероксида водорода в щелочной среде значительно усиливает эффект делигнификации льняных волокон в процессе сульфитно-щелочной варки, что позволяет достигать требуемого уровня подготовки к прядению грубой льняной ровницы с высокой степенью одревеснения (40-50%). На этой основе разработан и освоен в производстве высокоэффективный экологически безопасный перекисно-сульфитный способ химической обработки льняной ровницы, позволяющий сохранить уникальное природное качество льняных волокон и значительно повысить их прядильную способность. Применение одной сульфитно-щелочной варки без перекисного беления позволяет производить подготовку льняной ровницы к мокрому прядению с сохранением природного серого цвета стланцевых волокон. Такая обработка значительно более эффективна, чем применяемая обычно щелочная варка, при которой лигнин в срединных пластинках практически не затрагивается. Прядение обработанной ровницы осуществлялось на прядильной машине ПМ-88-Л5. Была выработана чистольняная пряжа линейной плотности 46текс (№21,7). Показатели качества отбеленной ровницы, пряжи и уровня обрывности в прядении приведены в таблице 5. Как следует из таблицы, перекисно-сульфитный способ химической обработки грубой ровницы обеспечивает практически одинаковый уровень обрывности и качество пряжи, как и хлоритно-перекисный способ. Полученная пряжа относится к группе СЛ 1 сорт и имеет оптимальные параметры прочности и структурной неровноты. Эти способы позволили полностью отказаться от использования хлорита натрия, вырабатывать высококачественную льняную пряжу линейной плотности 56-33текс и на ее основе разработать новый конкурентоспособный на мировом рынке ассортимент чистольняных тканей. В настоящее время разработанный нами перекисно-сульфитный способ обработки льняной ровницы, также как и сульфитно-щелочной, используются на всех действующих прядильных производствах страны.

Таблица 5.

Показатели качества отбеленной ровницы, пряжи и уровня обрывности в прядении

Наименование показателей	Хлоритно-перекисный способ	Перекисно- сульфитный способ
Отбеленная ровница Степень одревеснения срединных пластинок, %	14	15
Содержание гемицеллюлоз, %	7,8	8,0
Удельная вязкость 0,1%-ного медно-аммиачного раствора	1,97	2,21
Степень белизны, %	67,0	61,0
Потеря массы, %	15,4	16,2
Пряжа Линейная плотность пряжи, текс	46,0	46,1
Относительная разрывная нагрузка, сН/текс	22,1	23,2
Коэффициент вариации по линейной плотности, %	3,1	2,9
Коэффициент вариации по разрывной нагрузке, %	16,8	17,1
Удлинение, %	1,50	1,67
Сорт пряжи	СЛ 1 сорт	СЛ 1 сорт
Неровнота с КЛА-2: параметр неровноты пряжи Cv2[12-400]; Параметры структуры волокон в пряже: средняя линейная плотность , мтекс; средняя длина , мм; коэффициент вариации по длине Сl, %	870 2800 20,0 40,0	861 2800 19,0 40,0
Уровень обрывности на 100 веретен/час	20,0	20,0

Разработана система контроля и управления технологическими режимами химической обработки льняной ровницы на основе экспресс-оценки степени одревеснения срединных пластинок льняного волокна с использованием компаратора цвета КЦ-3 и параметров структурной неровноты получаемой чистольняной пряжи с использованием КЛА-2. В зависимости от степени одревеснения срединных пластинок и значения координаты цвета Z суровая льняная ровница разбивается на 3 группы качества (табл. 6).

Таблица 6.

Группы качества суровой льняной ровницы по степени одревеснения срединных пластинок

Группы качества	Степень одревеснения S, %	Координата цвета Z
1 группа мягкая ровница	S<30	Z > 18
2 группа средней мягкости ровница	S = 40-30	Z = 14-17
3 группа грубая ровница	S>40	Z< 14

В зависимости от группы качества суровой ровницы, определенной по значению координаты Z, рекомендуются оптимальные параметры технологического режима сульфитно-перекисного способа обработки льняной ровницы. При этом главным образом изменяется режим сульфитно-щелочной варки. В зависимости от степени одревеснения суровой ровницы (координаты цвета Z) изменяется концентрация реагентов в растворе, при этом соотношение компонентов остается постоянным. В таблице 7 приведены значения концентрации реагентов в сульфитно-щелочной варке в зависимости от мягкости ровницы.

Таблица 7.

Концентрации реагентов в сульфитно-щелочной варке в зависимости от мягкости ровницы

Темпе-ратура, °С	Продолжи- тельность обработки, мин	Реагенты	Концентрация реагентов, г/л
			грубая	средней мягкости	мягкая
до 94	10	Na2CO3	20	15	10
		NaOH	4	3	2
93-94	60	Na2SO3	8	5,7	4
		Общая щелочность	10,8-11,4	8,2-8,8	5,6-6,0

Режим предварительной стадии перекисного беления при этом изменяется незначительно, однако может корректироваться после определения параметров структуры комплексов волокон с помощью КЛА-2 в полученной пряже. Предложенная система регулирования технологического режима перекисно-сульфитного способа химической обработки льняной ровницы была отработана в производственных условиях ООО «Яковлевская мануфактура» и позволила достигнуть стабильного уровня обрывности в прядении - 20-40 обрывов на 100 вер/час, а также высокого качества вырабатываемой чистольняной пряжи как беленой, так и с сохранением природного серого цвета стланцевых льняных волокон.

В пятой главе рассмотрены молекулярно-кинетические закономерности процесса вытягивания льняной ровницы и обрывности в мокром прядении льна. Обрывность и структурная неровнота льняной пряжи являются результатом поведения волокна в динамическим процессе вытягивания ровницы в вытяжном приборе прядильной машины. Теоретический подход к прогнозированию этих показателей прядильной способности льняных волокон возможен при рассмотрении процесса вытягивания мокрой ровницы на основе молекулярно-кинетических представлений о долговечности полимерных материалов при растяжении, учитывающих релаксационные свойства материала в процессе вытягивания. Поскольку разрывное удлинение элементарных волокон льна незначительное (1-2%), то процесс утонения ровницы происходит, главным образом, в результате продольного перемещения комплексов волокон относительно друг друга по срединным пластинкам, где находятся нецеллюлозные полимерные компоненты - пектиновые вещества и лигнин, имеющие сетчатое строение. Пектиновые вещества достаточно легко удаляются в процессе химической обработки льняной ровницы, поэтому её способность к вытягиванию определяется, главным образом, механическим поведением остаточного лигнина. Полагаем, что лигнин, являясь малоподвижным высокомолекулярным соединением, находится в мокрой льняной ровнице в аморфном стеклообразном состоянии, поэтому процесс перемещения технических комплексов волокон друг относительно друга осуществляется в результате необратимой вынужденно-эластической деформации лигнина срединных пластинок, носящей вязкоупругий релаксационный характер.

Кривые утонения льняной ровницы в вытяжном приборе прядильной машины мокрого прядения представляют собой кривые релаксации деформации растяжения при действии растягивающих напряжений, возникающих из-за разной скорости вращения питающей и вытяжной пар цилиндров. Кривые релаксации деформации вытягивания льняной ровницы при степени одревеснения 30% и 10% при вытяжке 12,2 приведены на рис.8. Релаксацию деформации растяжения полимерного материала обычно исследуют при постоянной нагрузке у. Ползучесть идеального сетчатого эластомера, обусловленная релаксацией высокоэластической деформации, хорошо описывается механической моделью Кельвина-Фойхта.



Рис.8. Кривые релаксации деформации вытягивания льняной ровницы при степени одревеснения S=10% (1) и S=30% (2)

Согласно модели Кельвина-Фойхта кривые ползучести идеального сетчатого эластомера подчиняются уравнению (1):

е_t=е_? (1-e^-t/ф) (1)

где: е_t - деформация растяжения при времени t, е_? - предельное значение деформации, t - время действия силы, ф - время релаксации.

При действии достаточно больших напряжений в стеклообразных полимерах происходит деформация, имеющая высокоэластическую природу, отличающаяся от обычной высокоэластической тем, что происходит при вынуждающем действии больших напряжений и имеет необратимый характер. Явление вынужденной эластичности тесно связано со временем релаксации. Под влиянием действующего напряжения время релаксации ф уменьшается в соответствии с выражением (уравнение Журкова):

(2)

где: А - константа; - напряжение; U - энергия активации; К - константа Больцмана;

а - коэффициент, зависящий от объема сегмента макромолекулы.

При вынужденно-эластической деформации скорость релаксации равна скорости деформации. Известно, что при нагружении стеклообразных полимеров длина образца мгновенно увеличивается за счет развития упругой деформации, далее развивается замедленная вынужденно-эластическая деформация, качественно аналогичная развитию высокоэластической деформации. Таким образом, для количественного описания кривой растяжения стеклообразного сетчатого полимера можно применять уравнение Кельвина-Фойхта, при этом время релаксации вынужденно-эластической деформации следует оценивать по времени достижения предельной деформации с момента нагружения образца. Протекание релаксационных процессов зависит не только от температуры и действующей нагрузки, но и от продолжительности действия силы, поэтому реакция полимера на механическое воздействие определяется отношением между временем релаксации и временем деформации - ф/t (критерий Деборы).

Анализ кривых на рис.8 показывает, что общая деформация вытягивания льняной ровницы е_выт=12,2 складывается из мгновенной деформации е_о и замедленной деформации е_вын.эл (необратимой вынужденно-эластической деформации). Мгновенная деформация равна 1,65 и составляет 13,6% общей деформации вытягивания. Эта деформация не связана со сдвигом технических комплексов волокон и определяется распрямлением волокон и обратимым растяжением полимерного вещества срединных пластинок. Замедленная необратимая вынужденно-эластическая деформация равна 10,55 и составляет 86,4% общей деформации вытягивания. Эта деформация связана с необратимым сдвигом технических комплексов волокон, имеет вязкоупругий релаксационный характер и определяет длину зоны активного вытягивания ровницы в вытяжном приборе, где деформация достигает предельного значения. Кривые релаксации деформации вытягивания льняной ровницы имеют вид, характерный для растяжения сетчатых стеклообразных полимеров. Независимо от величины времени релаксации общая деформация за время действия силы (9,82 сек) достигает предельного значения 12,2, равного величине установленной вытяжки ровницы. Следует отметить, что в процессе вытягивания льняной ровницы её поперечное сечение уменьшается по закону релаксации деформации, следовательно, по этому же закону увеличивается напряжение в процессе вытягивания, что приводит к увеличению скорости релаксации деформации. Таким образом, кривые релаксации деформации вытягивания льняной ровницы в вытяжном приборе описываются уравнением (3):

е_t= е₀ + е_выт. • (1-е^-2t/ф) (3)

Для исследуемой ровницы уравнение (3) имеет следующий вид (4):

е_t = 1,65 + 12,2 • (1-е^-2t/ф) (4)

Время релаксации в уравнении (3) было определено экспериментально по сдвигу технических комплексов волокон с помощью КЛА-2. Нами разработана методика расчета релаксационных характеристик ровницы в процессе вытягивания по показателям длины и толщины комплексов волокон в ровнице и пряже, быстро и точно определяемым с помощью автоматизированного комплекса КЛА-2. Сдвиг комплексов волокон у выпускной пары цилиндров определяется отношением средней длины технических комплексов к количеству комплексов по диаметральному размеру пряжи: рис.9, уравнение (5).

l_сдв =_компл/n_{компл. в пряже} (5)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.9. Схема сдвига волокон в пряже

Число комплексов по диаметральному размеру пряжи равно отношению диаметра пряжи к среднему диаметру комплексов в пряже (6), т.к. диаметр линейного продукта прядения (пряжи, ровницы, ленты, технического комплекса) связан с линейной плотностью продукта уравнением (7):

n_{компл. в пряже}= d_пряжи /d_компл = (6)

d = 0,9899• 10^-5 (м) при плотности волокон (с) =1,3 г/см³ (7)

Длина активной зоны вытягивания, на которой достигается предельное значение деформации растяжения ровницы в вытяжном приборе, равна произведению величины сдвига комплексов волокон в пряже на количество комплексов в диаметре ровницы (8), рис.10:



Рис.10. Схема сдвига волокон в ровнице в процессе вытягивания в вытяжном приборе

L_{акт.выт} =l_сдв•n_{ровницы} = l_сдв (8)

Время релаксации деформации определяет длину активной зоны вытягивания ровницы в вытяжном приборе, которая в свою очередь определяется характером дробления и величиной сдвига технических комплексов волокон в процессе вытягивания. Таким образом, отношение L_разв / L_{акт.выт} позволяет определить важнейшую характеристику вытягиваемой льняной ровницы - t/ф (9):

L_разв / L_{акт.выт} =t_деф / ф (9)

льняной волокно неровность пряжа

В работе исследовано влияние содержания нецеллюлозных компонентов в срединных пластинках технических комплексов льняных волокон на характер кривых утонения. Разработанный и внедренный нами в производство режим сульфитной варки льняной ровницы позволяет эффективно удалять нецеллюлозные компоненты в срединных пластинках и при этом не затрагивать клеточные стенки волокон. В производственных условиях Яковлевского льнокомбината экспериментально исследовано влияние продолжительности сульфитной варки на характер кривых утонения льняной ровницы линейной плотности 666 текс (№1,5) в вытяжном приборе прядильной машины ПМ-88-Л5 при выработке пряжи 46 текс (№21,7). Процесс вытягивания льняной ровницы с различным содержанием пектинов и лигнина в срединных пластинках волокон осуществлялся при постоянной вытяжке - 12,2 и постоянной скорости деформирования (скорость питающей пары V₁=14,26 мм/сек, скорость выпускной пары V₂=174,00 мм/сек). В данных условиях вытягивания изменяется время релаксации деформации вытягивания ровницы и возникающего в процессе деформации напряжения. В таблице 8 приведены данные по изменению прочности ровницы, содержания нецеллюлозных компонентов в срединных пластинках (пектинов и лигнина) волокон, параметров структурной неровноты ровницы и пряжи, длины активной зоны вытягивания, времени релаксации деформации ф, отношения t_деф/ф и обрывности в прядении в зависимости от продолжительности сульфитной варки ровницы.

Таблица 8.

Изменения прочности ровницы, содержания нецеллюлозных компонентов в срединных пластинках волокон, параметров структурной неровноты ровницы и пряжи, длины активной зоны вытягивания, времени релаксации деформации ф, отношения t_деф/ф и обрывности в прядении в зависимости от продолжительности сульфитной варки ровницы

Показатели	Время варки, мин
	0	10	30	60	90	120
Ровница: линейная плотность, текс Степень одревеснения, S, % Разрывная нагрузка, H* Удельная разрывная нагрузка, УРН, сН/текс УРН матрицы, уґм, сН/текс УРН волокна, (ув)в, сН/текс Обрывность, обр/100 вер.час	666 34 24,0 3,60 1,775 1,825 250	633 30 20,0 3,16 1,335 1,825 80	600 25 17,5 2,92 1,095 1,825 60	580 20 16,0 2,76 0,935 1,825 40	560 15 14,0 2,50 0,675 1,825 20	550 10 12,5 2,27 0,445 1,825 2
Пряжа: линейная плотность, текс компл в пряже, текс компл в пряже, мм скл, мм , параметр неровноты	54,6 4,0 40 28,2 0,0709 1273	51,9 3,5 30 21,7 0,0861 1117	49,2 3,2 26 19,2 0,0935 1017	47,2 3,0 22 16,4 0,1057 960	46,0 2,8 20 15,1 0,1117 892	45,1 2,6 17,5 13,3 0,1208 827
Время релаксации, ф, сек	10,67	7,79	6,58	5,48	4,89	4,25
Время действия силы, t, сек	9,81	9,81	9,81	9,81	9,81	9,81
t / ф	0,9198	1,259	1,491	1,793	2,006	2,313
Длина активной зоны вытягивания, Lакт.выт, мм	«152,5»	111,2	93,2	78,1	69,8	60,5
Разводка цилиндров, Lразв, мм	140	140	140	140	140	140
*определена по действующему ГОСТу

Через 10 мин. варки пектиновые вещества удаляются из волокна практически полностью и далее релаксационные характеристики процесса вытягивания ровницы определяются изменением содержания лигнина в срединных пластинках волокон, которое оценивается по степени одревеснения. При отсутствии пектинов снижение степени одревеснения с 30% до 10% приводит к уменьшению времени релаксации с 7,79 до 4,25(сек) при времени действия растягивающей силы в вытяжном приборе равном 9,82(сек), при этом отношение t_деф /ф линейно возрастает с уменьшением степени одревеснения срединных пластинок волокон в указанном диапазоне (рис.11).



Рис. 11. Зависимость величины = от степени одревеснения технических комплексов волокон в ровнице

По уравнению (3) были рассчитаны приведенные на рис. 8 кривые релаксации деформации льняной ровницы. Используя определенные по сдвигу технических комплексов волокон в пряже с помощью КЛА-2 значения времени релаксации, были получены кривые релаксации деформации вытягивания, где длина активного вытягивания полностью совпадает со значениями, определенными по сдвигу комплексов волокон в пряже. Эти расчетные кривые хорошо совпадают с экспериментально определенными кривыми утонения льняной ровницы в вытяжном приборе весовым методом. При отсутствии химической варки при содержании пектиновых веществ 2,2% и степени одревеснения срединных пластинок 34% в суровой льняной ровнице время релаксации деформации вытягивания льняной ровницы в мокром прядении становится больше времени действия силы t_деф/ф=0,9198. Это приводит к резкому увеличению обрывности в прядении. При удалении пектиновых веществ время релаксации становится меньше времени действия силы и t_деф/ф=1,259. При этом обрывность резко снижается с 250 до 80 обр. на 100 вер.час. Таким образом, обязательным условием мокрого прядения льна является t_деф/ф>1.

Релаксационные свойства льняных волокон зависят от их прочностных характеристик. На основе молекулярно-кинетических представлений о деформации льняной ровницы и экспериментальном исследовании релаксации деформации и напряжения в процессе вытягивания в вытяжном приборе прядильной машины в работе сформулированы представления о физической природе обрывности в мокром прядении льна, которые позволили исследовать механизм влияния релаксационных и прочностных характеристик льняной ровницы на этот процесс. Льняную ровницу следует рассматривать как однонаправленный природный композит, состоящий из волокнистой арматуры и пластичной матрицы из нецеллюлозных компонентов с сетчатым строением. Согласно механике полимерных композиционных материалов предел прочности волокнистого композита при растяжении вдоль волокон равен сумме напряжений, приходящихся на матрицу и волокна при условии, что прочность связи на границе раздела «волокно-матрица» достаточна для того, чтобы обеспечить совместную деформацию компонентов вплоть до разрушения (10).

(у_в)_к =(у_в)_вV_в+ уґ_м (1-V_в) (10)

где: (_в)_в -- среднее значение предела прочности волокон при растяжении; уґ_м-- напряжение в матрице в момент разрыва волокон; V_в - объемная доля волокон в композите.

В процессе вытягивания льняной ровницы в мокром прядении льна объемная доля волокон во входящем и выходящем продуктах изменяется незначительно, поэтому выражение (10) можно упростить (11):

(у_в)_к =(у_в)_в+ уґ_м (11)

Причиной обрывов в вытяжном приборе является превышение напряжений, возникающих в вытягиваемом продукте при развитии деформации вязкого течения полимерного вещества срединных пластинок технических комплексов льняных волокон (матрицы) предела прочности волокна. Полагаем, что уровень обрывности в процессе вытягивания мокрой льняной ровницы определяется скоростью релаксации напряжения, возникающего в начальный момент деформации у вытяжной пары. Обрывность не возникает в стационарном режиме прядения, когда за время действия силы в вытяжном приборе возникающее напряжение релаксирует полностью. Релаксация напряжения в...