Метод количественной идентификации модифицированного льняного волокна в хлопко-льняных тканях посредством колориметрии

Актуальность темы

В настоящее время текстильная промышленность России переживает спад производства. Одной из причин этого является то, что Россия, имея большое количество хлопкоперерабатывающих предприятий не имеет собственной сырьевой базы вследствие утери хлопкосеющих регионов. Лишь лен является традиционным отечественным источником натуральных целлюлозных волокон. Но на сегодняшний день для производства пряжи используется только 25% всей массы льняного волокна, что связано с техническими и технологическими проблемами в области его переработки.

Наметившаяся в последние годы тенденция к возрождению текстильной промышленности России, базирующаяся прежде всего на разработке новых способов получения и модификации перспективных текстильных материалов на основе отечественного сырья, заставила вновь обратиться ко льну.

По данным Министра сельского хозяйства в 2008 году предусмотрено значительное увеличение размеров финансирования отрасли сельского хозяйства, в том числе, в 10 раз — увеличение финансирования льнопроизводст-ва [1].

В направлении «Текстиль» подпрограммы «Высокоэффективные технологии развития социальной сферы», включающей широкий спектр задач, уделено особое внимание разработке технологии получения хлопкоподобно-го волокна (котонина) из короткого льноволокна и очеса и созданию на его основе нового ассортимента изделий с улучшенными свойствами. В настоящее время этой проблемой интенсивно занимаются академические институты (ИХР РАН), высшие учебные заведения («Ивановская государственная текстильная академия» — ИГТА и «Государственный университет Технологии и.

Дизайна" Санкт Петербург — СПГУТД) отраслевые институты (ЦНИИЛКА, ЦНИИТТТВ) и производственные объединения [10, 31, 34, 41, 42]*.

Котонизация отходов производства, сводится к облагораживанию путем очистки, расщепления, укорачивания волокон на специальных линиях. Процесс котонизации модифицирует свойства льноволокон и позволяет их совместное прядение с хлопком, шерстью и другими волокнами.

Интерес к производству короткоштапельного льняного волокна возник достаточно давно. Первые документально засвидетельствованные попытки получения короткоштапельного льняного волокна относятся к XVII веку. С тех пор производство короткоштапельного льняного волокна интересовало множество исследователей: Кальвини (1780), Бертолле (1807), Гей Люсак (1807), Клаусен (1849) [9]. В начале прошлого века в Германии занимался котонизацией льна и конопли Э. Гминдер, а в России — В. М. Шевелин (1910) [9]. В тридцатых годах прошлого века в СССР существовала котонинная промышленность, которая в год выпускала до 26 тыс. тонн котонина различного назначения. Тогда же было проведено большое количество исследований, посвященных этой теме. Вопросами котонизации занимались такие ученые как P.O. Герцег [10], И. В. Архангельский [3], И. В. Крагельский [11], В .П. Добычин [110, 111], А. К. Ирхен [12], Д. И. Рудаков [24], В. А. Малинин [8], В. А. Миренский [13] и др.

Большинство ранних исследований процесса котонизации льняного волокна были связаны с его варкой и химической обработкой. Более поздние опыты были посвящены совмещению механической обработки льняного волокна с его химической обработкой, в результате которой и получался котонин. По этому принципу и работали промышленные установки того времени. Тогда же проводились опыты по разработке полностью механического спо Поскольку ссылки во введении будут в дальнейшем цитированы, последовательность нумерации в этом разделе не соблюдалась. соба получения котонина. Однако в 40-х годах интерес с производству котонина угас.

До 80-х годов прошлого столетия к проблеме котонизации льняного волокна практически никто не возвращался. Возникший в настоящее время интерес к получению короткоштапельного льняного волокна связан с высокой стоимостью волокнистого сырья, увеличением спроса на натуральное волокнистое сырье, исследованиями полезных свойств натурального льняного волокна, достижениями в области текстильного машиностроения и текстильной науки, а также модой на изделия из натурального льняного волокна.

Поиски новых технологий производства короткоштапельного льняного волокна пошли как по пути совершенствования традиционной механической, так и разработке новой, механохимической, в чем достигнут определенный успех, а также использование других методов расщепления волокнапосредством ультразвука, парового взрыва и биологического воздействия [28, 30, 33, 36, 37, 40, 42, 54, 57].

Проблемами получения и использования короткоштапельного льняного волокна занимались такие ученые, как JI.H. Гинзбург [3, 4, 7, 14, 15, 17, 48], В .В. Живетин [3, 4, 10, 14, 43], В. П. Петров [18], Е. П. Лаврентьева [19, 20, 21, 22, 23], Е. Л. Пашин [25, 27, 28, 89, 29, 66], Т. Ю. Смирнова [64, 70], С. Н. Разин [41, 88], Р. В. Корабельников [33, 38, 113], А. П. Морыганов [30, 34, 101], С. М. Губина, В. Г. Стокозенко [30, 36, 47, 72, 83, 85, 112, 115, 124], А. Ф. Плеханов [93], А. Н. Гребенкин [40, 42, 75, 86], О. М Ольшанская [14, 67, 105] и др.

Уникальные природные свойства льна позволили ему занять самостоятельную нишу на международном и российском рынках экологически чистых товаров. Примечательно то, что российский рынок товаров из льна представлен, преимущественно, отечественной продукцией. Таким образом, государственная задача сводится к тому, чтобы иметь стабильный спрос на свою продукцию на внутреннем рынке и закрепиться на мировом.

Успеха на рынке можно добиться, предложив новый интересный ассортимент высококачественной и конкурентоспособной продукции. Качество продукции сегодня получило реальный экономический смысл, гарантирующий успех и устойчивое развитие предприятия.

Жесткая конкуренция на рынке текстильной продукции Европы, в том числе в секторе льносодержащих тканей, поставила перед отечественными производителями задачу не только получения высококачественного модифицированного льняного волокна (МЛВ), но и строгого контроля состава волокон, содержащихся в готовых текстильных изделиях. И эта задача не потеряет своей значимости в ближайшем будущем, поскольку льноткачество даже из наиболее совершенного котонина (МЛВ) всегда сопровождается значительными неконтролируемыми потерями его.

Существующие микроскопический и химический методы идентификации составляющих в хлопко-льняных смесках, к сожалению, трудоемки и мало эффективны.

В связи с этим разработка метода количественной идентификации МЛВ в смесках, и прежде всего в целлюлозных, диктуется необходимостью цивилизованного вхождения в Европейский рынок, где обращается серьезное внимание производителей и потребителей на соответствие текстильной продукции международным нормам.

Вышеизложенное определило актуальность данной работы. Разработка метода количественной идентификации состава хлопко-льняных тканей крайне необходима при обязательной сертификации текстильной продукции, так как соответствие процентного состава (содержания) сырья указанному в маркировке является важным показателем качества, подлежащим подтверждению при сертификации тканей [6].

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка метода количественного определения содержания компонентов в смесовых тканях из хлопка и модифицированного льна.

Поставленная цель предусматривает решение следующих задач: систематизировать литературные данные по существующим способам котонизации льняного волокна и оценить влияние способов модификации льняного волокна на его строение и основные технологические параметрыисследовать показатели качества используемых в эксперименте модифицированных льняных волокон и провести контроль пригодности их смешивания с хлопковым волокномпровести анализ существующих методов количественной идентификации составляющих в хлопко-льняных смескахэкспериментально исследовать возможные подходы решения задачи методами рентгеноструктурного, рентгеноспектрального и колориметрического анализов и выбрать основной рабочий методадаптировать технологии колориметрии к решению вопроса количественной идентификации состава смески из двух близких по природе волокон, хлопка и производных льнаисследовать потребительские свойства произведенных модельных хлопко-льняных тканей.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием теоретических и экспериментальных методов исследования. Исследования по оценке качества модифицированного льняного волокна выполнялись в условиях испытательной лаборатории ИЦ «Штапель-тест» ОАО «ЦНИИШВ».

Проведение экспериментальных исследований потребовало применения современных физико-химических методов, включая рентгеноструктур-ный, с использованием дифрактометра ДРОН-2 и установки ИРИС и рентге-носпектрального, проведенного на растровом электронном микроскопе JeOl, JSM-35CF при ускоряющем напряжении 20kv.

Колориметрические измерения проводились на 24х-канальном спек-троколориметре «Пульсар» в режиме отражения, источник излучения D65, наблюдатель МКО 1931, 1964 со совмещенным программно-техническим комплексом.

Программное обеспечение, разработанное Елисеевым И. С. позволяет осуществлять управление процессом измерения посредством меню пользователя, производить запись и хранение в файлах, отображать цветовые спектральные характеристики в виде графиков и цифровой информации на экране компьютера. Программное обеспечение выполнено под оболочкой «Windows».

Исследования показателей свойств тканей определяли стандартными методами испытаний.

Результаты эксперимента подвергались математико-статистической обработке.

Научная новизна. Предложено решение прикладной задачи, основанное на фундаментальных законах взаимодействия света с веществом, выразившееся в создании научно обоснованного и экспериментально подтвержденного метода спектрального контроля состава смесовой ткани, из двух близких по природе волокон, хлопка и производных льна.

Таким образом, решается одна из важнейших задач товароведенияидентификация состава технологически сложных смесок хлопка с модифицированным льняным волокном.

Разработанный метод может быть применен для решения подобных задач в других смесовых композициях.

На основе экспериментальных исследований получены новые данные по потребительским свойствам тканей с различным вложением и модификацией льняного волокна.

Практическая значимость работы. Разработан неразрушающий, доступный метод контроля содержания МЛВ в смесовых композициях на всех стадиях технологического процесса, который можно использовать на производстве как при получении предприятием каждой новой партии модифицированного льняного волокна, так и при переходе в смесках на новые, как количественные, так и качественные (с другими волокнами) составы.

Подтверждением научно-практической ценности результатов диссертационного исследования является рекомендации Ученого Совета «Центрального научно-исследовательского института по переработке штапельных волокон» (г. Тверь) ознакомить с ними предприятия текстильной промышленности, вырабатывающие ткани с содержанием модифицированного льняного волокна.

Разработанный метод колориметрического контроля состава апробирован в производственных условиях ООО «Лен плюс» (г. Тверь).

Разработана и утверждена методика определения количественного содержания модифицированного льняного волокна в хлопко-льняных смесках посредством колориметрии, которая может быть использована для проведения научных исследований и в учебном процессе.

Исследование выполнялось в рамках научно-исследовательской работы Российского университета кооперации по теме «Разработка новых методов отделки и исследования свойств текстильных материалов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на: заседании Ученого совета ОАО «Центральный научно-исследовательский институт по переработке штапельных волокон» Тверь, 2007; международной научно-практической конференции «Национальные традиции в экономике, торговле, политике и культуре». Москва, РГТЭУ, 2005; международном симпозиуме «Устойчивость и безопасность в экономике, праве, политике стран Азиатско-тихоокеанского региона». Хабаровск, ХГАЭП, 2005; международной научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов кооперативных вузов стран СНГ. Москва, МУПК, 2005, 2006; международной научной конференции «Научный потенциал молодых — кооперации XXI века». Москва, РУК, 2006; международной конференции «Нанотехнологии в индустрии текстиля». Москва, МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2006; международной научной конференции молодых ученых — преподавателей и аспирантов «Новые идеи и потенциал молодых — кооперации России». Москва, РУК, 2007; международной научной конференции «Традиции и инновации в кооперативном секторе национальной экономики». Москва, РУК, 2008; международной научно-практической конференции «Управление торговлей: теория, практика, инновации». Москва, РУК, 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, отражающих ее основное содержание, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту: метод количественного контроля состава смески на всех технологических этапах производства хлопко-льняных тканейрезультаты сравнительного анализа технологической совместимости котонина и модилена с хлопкомрезультаты исследования потребительских свойств произведенных модельных хлопко-льняных тканей.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованных источников и приложений.

Выводы.

1. Разработан и научно обоснован новый метод количественной идентификации содержания компонентов в смесовых композициях, модифицированное льняное волокно — окрашенный кубовым красителем хлопок, позволяющий спектрально контролировать волокнистый состав на всех этапах технологического процесса изготовления ткани.

2. Показано, что предлагаемый метод отличается простотой и высокой точностью измерения (±1,5%), является неразрушающим, экологически безопасным, что делает его эффективным для использования непосредственно на производстве тканей.

3. Выявлено, что методы рентгеноструктурный, рентгеноспектраль-ный, оптической микроскопии и химический по различным причинам не могут быть использованы для решения задачи количественной идентификации модифицированного льна и хлопка в их смесях.

4. Установлено, что исследуемые волокна механического и механо-химического котонина по показателям содержание волокон по классам длин, средняя линейная плотность, содержание костры и сорных примесей соответствуют требованиям ТУ 8112−001−302 238−96 «Волокно льняное котонизированное» и пригодны для смешивания с хлопком.

5. Проведены сравнительные исследования технологической совместимости волокон хлопка и льна различной модификации — механического котонина и механо-химического модилена. Выявлено, что по своим технологическим свойствам модилен превосходит котонин, и это выражается в меньшей убыли (потере) его в ткани, прошедшей операции расшлихтовки и отбеливания.

6. Выявлена связь между количественным содержанием модифицированного льняного волокна в смеси с хлопком и показателями физической долговечности, гигиенических и эстетических свойств тканей. Установлено, что увеличение в смеси модифицированного льна снижает прочностные параметры ткани незначительно, улучшает износостойкость в среднем на 25% и снижает усадку после 50 циклов стирки на 1,9 — 2,6% против 5,1% от соответствующих значений для базовой хлопчатобумажной ткани (вариант 5). Улучшается комплекс гигиенических свойств: капиллярность, водопогло-щаемость и водоемкость, особенно ткани с 50% вложением модилена. Все это в совокупности с особыми медико-биологическими свойствами льна придает новые потребительские свойства смесовым тканям.

7. Подтверждена научно-практическая значимость результатов работы в форме рекомендаций Ученого совета «Центрального научно-исследовательского института по переработке штапельных волокон» (г. Тверь) по применению разработанного метода в производственных условиях и акта внедрения метода на предприятии ООО «Лен плюс».

В заключение рассмотрим некоторые общие выводы из проведенного эксперимента. Начнем с того, что в нашем случае исходный неотбеленный котонин был значительно более светлым, чем неотбеленный модилен. Соответствующие значения функции ГКМ равны 0,93 для котонина и 1,75 для модилена (Таблица 24 а, б). После отбеливания это различие сохранилось также в пользу котонина 0,39 и 0,566.

Возвращаясь к таблице 25 следует отметить, что «кажущиеся» значения содержания компонентов могут существенно отличаться от реальных. Так, к примеру, «кажущаяся» утрата котонина в смеске 50/50 для расшлихтованной ткани равна 22%, последующее отбеливание, т. е. просто химическое воздействие без механических операций, снижает убыль до 7,5%, что и отвечает его реальному содержанию в ткани, поскольку концентрационная кривая строилась именно для этой отделочной операции. Подобная ситуация и с модиленом.

Повышенное содержание котонина и модилена в угаре, в общем, вполне закономерно, поскольку в него уходят все включения, которые присутствуют в исходных лубяных волокнах, и именно они на стадии механических операций отделяются.

Вариант 2.

Вариант 3.

Вариант 4.

ПервоРасшПервоРасшПервоРасшПершРасш.

На1^!!!*- лихтоначальлихтоначальлихтоначальлихтоная ванная ная ванная ная ванная ная ванная смеска иопбеь смеска И01Шсмеска исггбесмеска истгоеле-нная ле-нная ле-нная ле-нная ткань ткань ткань ткань котонин-хлопок модилен-хлопок модифицированное льняное волокно хлопковое волокно.

Рисунок 21 — Изменение соотношений МЛВ и хлопка закладываемое в смеску и в полученной ткани после операций расшлихтовки и отбеливания.

Обобщая вышеизложенное отметим, что колориметрия является достаточно прецизионным и вполне доступным методом контроля содержания волокон и их физического состояния для хлопко-льняных смесовых тканей.

Полученная информация о потерях льняного компонента на основных технологических переходах дает возможность установить основные операции, где потери МЛВ наиболее значительны, а также создать алгоритм прогнозирования количественных потерь модифицированного льна.

Глава 4. Исследование влияния содержания и модифицикации льняного волокна на потребительские свойства хлопко-льняных тканей.

4.1. Состав, как определяющий фактор качества смесовых хлопко-льняных тканей.

Как уже отмечалось в литературном обзоре льноволокно, обладая комплексом медико-биологических свойств, является серьезным конкурентом хлопка в завоевании потребительских симпатий на рынке бельевых и костюмно-плательных тканей.

Однако в силу более жестких деформационных характеристик, льняные ткани уступают хлопчатобумажным тканям, особенно при использовании в нательном белье.

Разумный компромисс был найден в использовании смесовых композиций из производных льна и хлопка, сочетающих в себе благоприятные свойства лубяных и хлопковых волокон. И было бы оптимальным сохранить в них прочность лубяных волокон, используя в смесях более длинные производные льняных волокон, и хлопковую составляющую, обеспечивающую наполненность и более высокие теплофизические свойства ткани. Однако более длинные льняные волокна плохо сопрягаются с хлопком, особенно на стадиях прочеса и прядения, и технологически приемлемой длиной являются волокна размерами от 16 до 45 мм [145].

Но и эта длина не обеспечивает сохранения состава вложенных волокон, что и явилось побудительной первичной причиной постановки данной работы, поскольку состав является обязательным параметром при представлении продукта на рынок. Решение этой задачи, полученное в предыдущих разделах работы, позволяет рассмотреть, насколько эта информация существенна (полезна) при описании свойств выработанных смесовых тканей, для которых известно реальное содержание льняной составляющей.

Нами было проведено исследование комплекса потребительских свойств льносодержащих тканей, включая такие как: физическая долговечность, эстетические и гигиенические свойства, т.к. закономерности обнаруженные на моделях будут характерны и для других смесовых композиций.

Когда мы рассматриваем параметры качества смесовых композиций на основе хлопка, мы исходим из того, что привносит положительного либо отрицательного в палитру свойств добавляемое волокно.

Причины введения иных волокон в смеску могут быть различными: улучшение физико-механических параметров, таких как эластичность, прочность на разрыв или на истирание, наполненность ткани и многое другое. Другой причиной может быть и дороговизна волокна, поскольку хлопок является импортным товаром и естественно было искать приемлемую замену ему. В большинстве случаев эта замена приводит к частичной потере тканью таких положительных свойств, как туше и гигиенические свойства, присущие хлопку.

Существенно иное положение возникает при использовании в качестве добавки льнопроизводного. Гигиенические свойства лубяных волокон не уступают хлопку, а по отдельным параметрам превосходят их, деформационно-прочностные свойства льняных тканей близки к хлопчатобумажным, не говоря уже о стоимости и доступности, поскольку речь, прежде всего, идет об использовании отходов льняного производства. Но за этим стоит и проблема, связанная с малой технологичностью этих волокон и трудностями совмещения их с хлопковым волокном. Это заставило искать способы модификации льноволокна, что выразилось в создании достаточно приемлемых льнопроизводных, котонина и модилена, которые могут спрядаться с хлопком, но с некоторой потерей их.

Повысить содержание модифицированного льняного волокна в смесовых с хлопком тканях — важная технологическая задача и не только потому, что любая потеря нежелательна, а потому, что льноволокно несет в себе комплекс медико-гигиенических свойств, ставящего его в разряд уникальных. Данное определяется спектром биологически активных веществ (сква-лен, стеролы, витамины), различных микроэлементов, таких, как: марганец, мышьяк, стронций, титан, кадмий, ртуть, кобальт, медь, никель, свинец, ванадий, цинк и др. и обнаруженной, ранее неизвестной связью между медико-биологической активностью льняного волокна и микроэлементами и БАВ, входящими в его состав. Особенно необходимо отметить благоприятное влияние одежды из этих волокон на выполнение различных физиологических функций организма, на состояние иммунной, сердечно-сосудистой, нервной, эндокринной и мышечной систем человека. Медико-гигиенические свойства лубяных волокон стали еще более значимыми во все возрастающем экологически неблагополучном положении в природе, что выразилось, в частности, в том, что в волокнах хлопка были обнаружены диоксины.

Именно медико-гигиенические свойства высокоценимы в Европе и они определяют востребованность хлопко-льняных тканей. И поэтому содержание МЛВ в смесовых тканях не только вопрос улучшения привычного комплекса свойств хлопчатобумажных тканей, хотя и это немаловажно, а является способом облагораживания их, придания им нового качества, несвойственного хлопчатобумажным тканям.

ГОСТ 29 298–92. Ткани хлопчатобумажные и смешанные бытовые. Общие технические условия, предусматривает, что по виду применяемого сырья смешанные ткани вырабатываются из хлопчатобумажной пряжи, полученной хлопчатобумажным способом прядения из хлопка в смеси с другими волокнами и из хлопчатобумажной пряжи в комбинации с другими видами нитей. Следовательно, опытные ткани, в соответствии с ГОСТом относятся к хлопко-льняным смесовым тканям.

В соответствии с п. 1.2.14. настоящего ГОСТа, в техническом описании на конкретную заправку (артикул) готовой и суровой ткани должны устанавливаться следующие показатели: состав сырья, линейная плотность пряжи, число нитей на 10 см по основе и утку, поверхностная плотность, ширина ткани, разрывная нагрузка, изменение размеров после мокрой обработки готовой ткани, стойкость к истиранию по плоскости, вид отделки и переплетение. Из вышеприведенной номенклатуры показателей качества был исключен такой показатель как ширина ткани, в виду того, что исследования проводились на опытных образцах.

Техническое описание опытных хлопко-льняных тканей приведено в таблице 26.