Разработка технологии нетканых материалов способом термоскрепления волокнистых холстов из модифицированных химических волокон

В настоящее время актуальны способы производства нетканых полотен, основанные на скреплении волокнистых холстов термопластичными волокнами, нитями, порошками или за счет аутогезионного взаимодействия волокон при повышенной температуре. Термоскрепление при производстве нетканых материалов используется широко, так как имеет существенные преимущества по сравнению с другими способами:

— высокая производительность оборудования;

— отсутствие загрязнения окружающей среды;

— отказ от использования жидких связующих веществ, нитей или пряжи для скрепления холста;

— высокий уровень автоматизации технологического процесса вплоть до организации полностью автоматизированных поточных линий производства;

— улучшение условий труда обслуживающего персонала;

— возможность использования разнообразных видов волокнистого сырья, в том числе волокнистых отходов и восстановленных волокон;

— широкий ассортимент производимой продукции [1 ].

Способом термоскрепления могут вырабатываться нетканые материалы на основе волокнистых холстов различной структуры, сформированных механическим, аэродинамическим, фильерным способом, а также многослойные. Это позволяет за счет изменения ориентации волокон регулировать анизотропность изделия, обеспечивая тем самым требуемое соотношение прочностных свойств в различных направлениях.

Термоскрепление волокнистых холстов может осуществляться различными методами: обработкой под давлением при повышенной температуре (в жале валов каландра или между барабаном и транспортной лентой) — обработкой горячим воздухом без давления (в барабанных или конвейерных сушильных установках) — под действием инфракрасного излучения, ультразвука, токов высокой частоты.

В связи с возрастающей потребностью в развитии экологически чистых технологий нетканых материалов с улучшенными физико-механическими и функциональными свойствами одной из актуальных научно-технических задач является развитие технологии аутогезионного скрепления (без связующих волокон) [2−5].

Клеящую способность волокон активизируют обработкой химическими реагентами, вызывающими набухание, пластификацию или модификацию полимера поверхностного слоя. При модификации в поверхностный слой вводятся реакционные группы, которые химически взаимодействуют с активными группами полимера волокна. Это позволяет повысить прочностные свойства волокна и соответствующие свойства нетканого материала. Однако большинство применяющихся модификаторов дороги и недостаточно эффективны, в связи с чем актуальной является разработка новых, эффективных и недорогих модификаторов различной природы, способных повышать аутогезионные свойства химических волокон и нетканых материалов на их основе.

Общая характеристика работы.

Целью работы является разработка новой экологически чистой технологии нетканых материалов с повышенными физико-механическими свойствами без использования связующих веществ.

Актуальность работы обусловлена необходимостью создания высокопроизводительных и малооперационных технологических процессов получения нетканых материалов при одновременном исключении полимерных связующих.

Развитие технологии аутогезионного скрепления химических волокон требует решения задачи повышения их аутогезионной способности. Для этого необходимо разработать эффективный метод модификации поверхности промышленных химических волокон, позволяющий повысить прочность аутогези-онных соединений и улучшить свойства нетканых термоскрепленпых материалов на их основе.

Задачи исследований. Исходя из поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— проведение анализа состояния производства нетканых материалов способом термоскрепления;

— проведение анализа существующих способов повышения аутогезии полимеров;

— определение основных параметров аутогезионного скрепления волокон холста;

— разработка метода синтеза новых эффективных кремнийорганических модификаторов для химических волокон;

— изучение физико-химических свойств синтезированных модификаторов и механизма их взаимодействия с полимером химических волокон;

— обоснование выбора сырья, оборудования и технологических параметров производства нетканых материалов аутогезионным способом;

— разработка способа повышения физико-механических свойств нетканых тер-москрепленных материалов на основе полиэфирных, полиамидных, полипропиленовых волокон путем модификации их поверхности кремнийорганиче-скими соединениями группы полиорганосилоксанов, впервые используемых для этих целей;

— разработка экологически чистой технологии термоскрепленпых нетканых материалов с повышенными физико-механическими свойствами;

— определение оптимальных технологических параметров получения нетканых прокладочных полотен аутогезионным способом;

— проведение эксплуатационных испытаний новых нетканых материалов;

— разработка нормативно-технической документации на производство нетканого термоскрепленного полотна повышенной прочности.

Методика проведения исследований. В работе использовались стандартные методики для исследования физико-механических свойств волокон и готового нетканого материала.

Для оценки физико-химических свойств модификаторов использовались методы хроматографии, ИК-спектроскопии.

При оптимизации технологических параметров получения нетканых материалов использовались современные методы математического планирования и анализа эксперимента.

Научная новизна работы:

— разработана технология нетканых термоскрепленных материалов с использованием кремнийорганических модификаторов, не описанных в литературе;

— разработан метод синтеза новых кремнийорганических модификаторов (оли-гоэтокси[алкил (Сз-Сб)окси]силоксанов), придающих химическим волокнам повышенную аутогезионную способность;

— изучены физико-химические свойства синтезированных кремнийорганических модификаторов и механизм их взаимодействия с полимером волокна;

— разработан способ повышения физико-механических свойств нетканых термоскрепленных материалов на основе полиэфирных, полиамидных, полипропиленовых волокон путем модификации их поверхности кремнийорганиче-скими соединениями группы полиорганосилоксанов, впервые используемых для этих целей;

— проведено методами регрессионного анализа исследование факторов, обуславливающих физико-механические и функциональные свойства нетканых полотен. Получены полиномиальные уравнения зависимостей свойств нетканого материала от параметров производства;

— определены оптимальные условия получения нетканых прокладочных материалов и основ под полимерное покрытие аутогезионным способом из модифицированных новыми кремнийорганическими соединениями химических волокон.

Практическая ценность работы. Разработана экологически чистая технология нетканых материалов с повышенными физико-механическими свойствами. Полотно испытано в полупромышленных условиях и рекомендовано для использования в качестве прокладочного материала в одежду и основы под полимерное покрытие.

Использование разработанного нетканого материала позволяет:

— расширить ассортимент нетканых материалов;

— улучшить качество нетканых прокладочных материалов и основ под полимерные покрытия;

— повысить срок службы текстильных изделий;

— исключить применение связующих веществ;

— заменить дорогие модификаторы волокон на более дешевые, эффективные, экологически чистые;

— сократить технологический цикл производства нетканых материалов;

— повысить эффективность использования промышленного оборудования.

На полотно разработана и утверждена нормативно-техническая документация.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Внутривузовской научно-технической конференции МГТУ им. А. Н. Косыгина, М.: МГТУ, 2001 г.

2. Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2001», М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, ноябрь 2001 г.

3. Всероссийской научной конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 21 века», М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, март 2002 г.

4. Всероссийской научной конференции «Совершенствование проблемы текстильной и легкой промышленности», М.: Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности, апрель 2002 г.

5. Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2002), Иваново: Ивановская государственная текстильная академия, май 2002 г.

6. Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2002», М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, ноябрь 2002 г.

7. Международной научно-технической конференции «Новые разработки в области нетканых материалов и направления их коммерциализации», г. Серпухов, ОАО «НИИНМ», ноябрь 2003 г.

8. Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2003», М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, ноябрь 2003 г.

Публикации. Основное содержание результатов исследований изложено в следующих публикациях:

1. Горчакова В. М., Баталенкова В. А., Королева Н. А., Королева Е. А. Исследование процесса аутогезионного скрепления химических волокон // Сборник научных трудов, выполненных по итогам конкурса грантов молодых ученых, М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2001 г.- С.З.

2. Горчакова В. М., Измайлов Б. А., Баталенкова В. А. Технология аутогезионного скрепления химических волокон // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс-2001): Тез. докл. на международ, научно-технической конф., Иваново: ИГТА, 2001 г. — С.235.

3. Горчакова В. М., Измайлов Б. А., Баталенкова В. А. Синтез и строение карборанилпроизводных 2-хлор (органо)силилтиофенов // Тез. 4-го Международного симпозиума по химии и применению соединений фосфор", сера-, кремнийорганических соединений «Петербургские встречи», С.-Г16.: 2001 г.-С.336.

4. Горчакова В. М., Баталенкова В. А., Измайлов Б. А. Исследование влияния кремнийорганического модификатора на свойства волокон и нетканых материалов при аутогезионном скреплении // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 2001 г.-№ 4- С. 44.

5. Горчакова В. М., Баталенкова В. А., Измайлов Б. А. Исследование процесса аутогезионного скрепления модифицированных химических волокон // Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 5, М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2002 г.- С. 107.

6. Горчакова В. М., Баталенкова В. А., Измайлов Б. А. Исследование влияния обработки поверхности волокон алкоксисилоксанами и алкоксиси-ланами на свойства нетканых материалов // Совершенствование проблемы текстильной и легкой промышленности: Тез. докладов по итогам Всеросс. научной конф., М.: РЗИТиЛП, 2002 г.

7. Горчакова В. М., Баталенкова В. А., Измайлов Б. А. Легирование поверхности волокон кремнийорганическими модификаторами // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: Тез. докладов на Всеросс. научно-технической конф., г. Камышин, 2002 г.- С. 15.

8. Горчакова В. М., Баталенкова В. А. Влияние легирования поверхности волокон кремнийорганическими слоями на свойства нетканых материалов //"Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2001″: Тез. докл. на Всеросс. научно-технической конф., М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2002 г.- С. 50.

9. Горчакова В. М., Баталенкова В. А., Измайлов Б. А. «Аутогезионное скрепление модифицированных химических волокон» // «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль -2002): тез. по итогам Всеросс. научно-технической конф., М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2002 г.- С. 53.

10. Горчакова В. М., Баталенкова В. А., Измайлов Б. А. «Исследование влияния кремнийорганических модификаторов поверхности волокон на свойства нетканых материалов, полученных аутогезионным способом» // Тезисы докладов на 55 межвузовской научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ — производству», Кострома, КГТУ, 2002 г.

11. Горчакова В. М., Измайлов Б. А., Баталенкова В. А. Нетканый текстильный материал. Патент № 2 182 614. Приор, от 12.07.2001 г., Опубл. 20.05.2002 г. МПК 7D 04 Н 1/5 4.

12. Баталенкова В. А., Измайлов Б. А., Майников Е. В. «Влияние катализатора на процесс модификации химических волокон при производстве нетканых термоскрепленных материалов» // «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль — 2003): тез. по итогам Всеросс. научно-технической конф., М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003 г.- С. 83.

13. Горчакова В. М., Баталенкова В. А., Измайлов Б. А. Аутогезионное скрепление модифицированных полиэфирных волокон // Химические волокна, 2003, № 1-С.31.

14. Баталенкова В. А., Горчакова В. М. Влияние замасливателя на свойства нетканых материалов из волокон, легированных кремнийорганическими модификаторами // Сборник научных трудов аспирантов. М.: МГТУ, 2003, № 6-С. 18.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработана новая, экологически чистая технология нетканых материалов из химических волокон без использования связующих веществ.

2. Разработан эффективный способ повышения аутогезионной прочности соединений волокон в нетканом материале.

3. Разработан метод синтеза новых, эффективных, дешевых, из отечественного сырья кремнийорганических модификаторов для химических волокон типа полиорганосилоксанов.

4. Разработана рецептура композиции и способ нанесения кремнийорганического модификатора на волокно.

5. Изучен механизм взаимодействия кремнийорганического модификатора с полимерами химических волокон. Повышение адгезионной прочности соединения объясняется образованием на межфазной границе контактирующих волокон химических связей и пластифицирующим влиянием модификатора на полимер волокна.

6. Научно обоснован состав сырья, оборудования и технологической цепочки для получения нетканых материалов (прокладочных, основы под полимерные покрытия) аутогезионным способом.

7. Определены оптимальные технологические параметры получения нетканых материалов из модифицированных волокон:

• количество модификатора олигоэтоксиизо-бутоксисилоксана (VII) на волокне, % от массы волокон — 0,20.

• количество катализатора, % от массы модификатора — 1,5.

• температура каландрирования, °С -230.

• давление каландрирования, МПа — 2.

• скорость выпуска материала, м/мин — 7.

Получен нетканый прокладочный материал со следующими параметрами:

• поверхностная плотность, г/м2 — 70.

• разрывная нагрузка, Н — 100.

• воздухопроницаемость, дм3/м2,сек — 1012.

• коэффициент несминаемости, % - 94.

8. Разработан и утвержден комплект нормативно-технической документации: Технические условия ТУ-839 150−001−2 066 475−04 и технологический регламент для выпуска нетканого аутогезионного полотна.

9. Данное техническое решение позволяет сократить количество технологических переходов и исключить использование связующих веществ и пластификаторов при получении нетканых материалов способом термоскрепления.

10. На базе параметрического моделирования проведен анализ характера изменения технико-экономических показателей при нанесении кремнийорганического модификатора на волокно на стадии замасливания. Рассчитана себестоимость 1000 м² нетканого материала. Показано, что введение кремнийорганического модификатора позволяет снизить себестоимость единицы продукции с одновременным уменьшением количества технологических переходов.

11. На разработанный нетканый материал из модифицированных химических волокон получен патент РФ№ 2 182 614 от 12.07.2001 г.