Литературный обзор

- 6 -
ГЛАВА 1, ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
СТРОЕНИЕ ХЛОПКОВОГО ВОЛОКНА И ЕГО ПОВРЕЖДЕННОСТЬ. ПРОБЛЕМЫ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ
I.I. Строение и поврежденность хлопкового волокна
По современным представлениям основными частями оформившегося и зрелого волокна являются: первичная стенка /кутикула/, состоящая из двух слоев: целлюлозы и наружного-жировоскового; вторичная массивно развитая многослойная стенка, основной составляющей которой является целлюлоза / она создает механические эксплуатационные свойства волокна/; третичная стенка из пектиновых веществ и небольшого количества целлюлозы.
По данным Л.Боллса /I/, Л.П.Закошикова /2/ и Б.Идгенсоне /3/, толщина первичной стенки колеблется от 0,2 до 0,5 мм и на-ряду с природными физиологическими функциями эта стенка выполняет в последующем и технологические функции. Так, например, жировые и воскообразные вещества имеющиеся в составе первичной стенки, в процессе обработки волокон снижают силу их трения, что предохраняет волокно от вредных воздействий.
Многие исследователи указывают на следующий состав хлопкового волокна /1-5/:
Целлюлоза 97 - 98 %/,
Пектиновые вещества и пентозаны 0,8 - 1,0 %
Жиры и воски. 0,3 - 1,0%
Зольные вещества 0,1 - 0,2%
Азот и белковые вещества 0,2 - 0,3% .

Имеются также инкрустирующие вещества, вымываемые водой. Естественно, химический состав и количество отложившейся целлюлозы обуславливают физико-механические, химические и технологические свойства волокон. Несмотря на наличие защитного слоя во всех стадиях обработки и процесса прядения, хлопковое волокно подвергается многократным механическим воздействиям, что приводит к сильному повреждению его поверхности и переламливанию большинства волокон /6/. Изучению повреждения хлопкового волокна посвятили свои исследования многие ученые /7-1I/.

Повреждения хлопкового волокна условно можно делить на: биологические и механо - химические. При благоприятных условиях влажности и температуры окружающей среды текстильные волокна разрушаются рядом видов микроорганизмов. Хлопковое волокно при 9 влажности и нормальной температуре уже способно разрушаться микроорганизмами /12/. При машинном сборе хлопок-сырец сильно засоряется посторонними примесями. В него в большом количестве попадают частички листьев, коробочек и веточек с большей, чем волокно, влажностью. Такие, посторонние частицы создают вокруг себя влажную микро зону, в которой усилинно размножаются микроорганизмы /13/. Кроме того, уже при раскрытии хлопковых коробочек число микроорганизмов на них резко увеличивается, так как ветер вместе с пылью заносит на волокна и споры грибов и бактерий. По данным С.П.Костычева, в I г сильно подзалитой почве находится приблизительно до 1,5 • 10⁹ микроорганизмов /14/.
Многими исследователями установлено, что основным местом проникновения микроорганизмов, заражающих волокно, являются поврежденные участки-проколы в коробочках хлопчатника, пораженных коробочным червем, клешиком, клопом, бахчевой хлопковой тлей, сеноедом /15-19/. Размещаясь на наружной оболочке волокна-кутикуле, а также внутри канала волокна, они наносят повреждения различного вида и степени.
Более глубокое изучение, с разработкой характера нанесенного повреждения и анализом природы заболеваний, было проведено А.А.Ячевским /15/. Все виды повреждений коробочек и хлопкового волокна микроорганизмами он распределил на четыре группы:
- со сложным поражением хлопка в слабораскрытых и нераскрытых коробочках;
с внутренним поражением недоразвитой коробочки и волокна;
- с поражением отдельных долек волокна;
с повреждением распушившегося волокна в коробочках.
И.Халл и П.Ельтинг отмечали, что характерным повреждением хлопкового волокна микроорганизмами является первоначальное разрушение наружних кутикулярных стенок. Дальнейшее поражение волокна начинается с нарушения канала, после чего бактерии проникая в целлюлозный слой, разрушают его структуру /20/. Исследуя процесс прядения хлопка, Ф.Б.Хетагурова и А.Сапков установили, что причиной увеличившейся обрывности на прядильных машинах является зараженность хлопка бактериями и грибками /I9/. Они отмечают, что в хлопке еще до обработки имеется большое количество волокон с биологическими повреждениями, которые и ухудшают качество сырья. Кроме структурных нарушений, биологические повреждения вызывают изменения физико-механических свойств волокон. М.А. Шаповалов указывал, что волокно, зараженное бактериозом и черным грибковым налетом, теряет прочность и удлинение /21/.
На поврежденность волокон кроме выше указанных бактерий и грибков очень большое влияние оказывают атмосферные условия. Известно, что прочность текстильных волокон под действием солнечного света значительно снижается. Так по данным Ф.И.Садова, комбинированное действие света, влаги и воздуха в течении трех месяцев при нормальной температуре снижает прочность хлопковых волокон на 40 - 50. В этих же условиях вязкость медноаммиачных растворов целлюлозы падает в 60 - 80 раз /22/ Очевидно, что инсоляция неблагоприятно влияет на хлопок-сырец. Исследовано влияние солнечных лучей и атмосферных условий на механические свойства хлопка-сырца, находящегося на кустах хлопчатника и в местах хранения /23/. Показано, что при длительном воздействии света и атмосферных условий ухудшаются технические свойства хлопка-сырца, что проявляется в падении разрывной нагрузки, уменьшение полной деформации, модальной и штапельной длины и увеличении количества извитков хлопкового волокна, Эти результаты подтверждаются в работах 0.Б.Запольского /24/и Г.Ф.Пугачевского /25/. Хлопок, изолированный после первого дня раскрытия коробочек от лучей солнца, имеет большую прочность и высокую степень полимеризации по сравнению с хлопком, экспонированным на солнце в течение времени сбора и нормальных светопогодных условий.
Фотохимическая деструкция волокон хлопка сопровождается образованием соединений, содержащих пероксидные группировки и альдегидные группы /26/, Г.И.Котляр и др. полярографическим методом исследовали деструкцию волокон хлопка под действием естественной инсоляции и установили, что увеличение содержания соединений, имеющих альдегидные группы, сопровождаются с уменьшением разрывной нагрузки волокон, в результате чего волокно становится еще более уязвимым по отношению к механическим и микробиологическим видам разрушения, Все это отражается на показателях пряжи и в конечном счете на качестве изделия /27/.
I.2. Повреждения хлопкового волокна и его химическая обработка
Механо-химическая деструкция возникает при самых разнообразных воздействиях на волокно: растяжении, сжатии, кручении, разрыва, истирании и других многократных деформаций возникающих

- 10 -
в процессе сбора, разрыхления, хранении, джинирования, трепания и других операциях переработки его в пряжу.

В процессе механизированного сбора хлопка имеет место повреждение волокна с кутикулярнами целлюлозными выхватами и перебитым концом; сплошными сдирами кутикулярной и целлюлозной стенок; сильными надломами; максимальными надрывами от действия шпинделя; вытянутыми и распушенными концами /28/.
И.А.Хаджиновой был проведен рентгеноструктурный анализ волокон хлопка, подвергнутых различным видам воздействия при оборе различными типами хлопкоуборочных машин, в сравнении с образцом хлопка искусственного повреждения. В результате были получены данные, которые подтвердили, что повышается при механических повреждениях угол наклона структуры волокна, Механические повреждения волокну наносят главным образом острые кромки на зубцах всех пильчатых рабочих органов очистителей /29,30/.
Известны работы по изучению характера и причины механических повреждений хлопковых волокон С.А.Федорова /31/, П.П.Петрове /32/ и Н.А. Васильева /33/, Они отметили, что в процессе первичной обработки хлопка нередко происходит повреждение волокон за счет перебивания. П.П. Петров отмечает, что существенным недостатком джинирования является, то что джин рвет часть волокон, что при последующей переработке приводит и потерям в виде угара.
Эксперименты показали, что джинирование заводскими пилами уменьшило штапельную длину волокна в период переработки в среднем на 0,7 мм по сравнению с контрольными /30/.
B.Хелмут /34/, Х.Зоммер /35/ определили, что разрыв происходит в поврежденном месте и в извитках волокна. В извитых местах волокно более кристаллично и ломок. В другой работе указывеется, что в процессах джинирования и прядения наблюдается
11 -
укорочение длины волокна за счет происходящего перебивания и разрыва волокон /36/.
Перебивание волокон хлопка в процессе прядения и изменения при этом их длины изучали А.Н.Соловьев, А.А.Лебедев /37/ и Н.А. Шемпурин /38/. Все они пришли к общему выводу, что в процессе прядения происходит укорочение длины волокна, Дн.Уайтвелл /39/. и М.Грант /40/ обнаружили, что процесс обработки отражается на физико - механических свойствах волокна, а также и на его структуре. Появление трещин на волокне приводит к разрушению его стенок,
Более подробно свойства и структуру хлопковых волокон исследовал А.Хоррент /41/, В результате изучения молекулярной структуры целлюлозы в волокне хлопка, подвергнутого процессу обработки, он установил, что под влиянием механических воздействий происходит изменение молекулярной структуры, обусловленные изменением связей и цепей в структуре волокна. В ряде работ детально описаны результаты исследований влияния повреждения хлопкового волокна на его физико-механические свойства /42-48/.
Многократная механическая нагрузка на волокнистые материалы, в том числе на хлопковое волокно, вызывает процесс механо-деструкции макроцепи с образованием свободных радикалов, которые могут стабилизироваться при взаимодействии с каким-либо акцептором. При этом не исключена возможность реакции рекомбинации или передачи цепи через макрорадикалы или низкомолекулярные вещества.
Разрыв макромолекул полимеров при механических воздействиях с образованием макрорадикалов происходит в том случае, когда при деформации волокна вследствии неравномерного перераспределения внутренних напряжений в какой то точке возникает напряжение, повышающее критическую величину, равную прочности химической

- 12 -
гликозидной связи между атомами основной цепи.

Наиболее распространенная причина обрыва цепи - взаимодействия микрорадикалов с различными акцепторами, всегда присутствующими в волокнах и окружающей среде например с кислородом При этом под акцепторами подразумеваются вещества способные взаимодействовать со свободными радикалами с образованием стабильных продуктов:

Ко всем этим деструктивным фактором необходимо добавить до сих пор мало изученную механо-химическую деструкцию, которая в конечном итоге развивается по законам цепного механизма свободно-радикальной деструкции высокомолекулярных соединений,
Применяемые при переработке хлопкового волокна различные эмульсии и замасливатели играют роль многопланового модификатора, служащего одновременно акцептором свободных радикалов и стабилизирующим веществом от дальнейшего механического разрушения волокна. Механизмы конечной стабилизации таких продуктов окончательно не выяснены: это может быть диспропорционирование или рекомбинация, но сам факт стабилизации доказан многократно/49-51/.
При совместных механический-химических реакциях в общем случае ожидается образование макрорадикалов, что может быть условно представлено в виде следующей схемы:
- A - A - A - A - A
-A - A - A - A –
а при взаимодействии акцепторов со свободными макрорадикалами образуются стабильные продукты:

- 13-
- A - A - A - A - A - B

где: А - макромолекула целлюлозы, роль акцептора выполняет в данном случае модификатор ( В) .
Следует, что стабилизация свободных радикалов в процессе механической деструкции происходит за счет взаимодействия макрорадикалов целлюлозы с акцептором. В этом случае скорость стабилизации (V_ст.) описывается следующим уравнением:
V_ст. = k • [a] • [ в]
где: / В / - концентрация акцептора.
Стабилизация может сопровождаться реакцией рекомбинации макрорадикалов, протекающей со скоростью (V_р) в следующем виде:

а передачей цепи через полимер или низкомолекулярное вещество протекающей со скоростью ( V_n) выражается следующим образом:

где: / Б / - концентрация агентов передачи цепи.
На основании вышеизложенных данных общую схему действия акцепторов с макрорадикалами можно представить в следующем виде:

Таким образом поврежденные хлопкового волокна в процессе прядения характеризуются слабыми сдирами и трещинами, слабым выхватом целлюлозы, поперечными надрывами, разорванными стенками и перебитым концом, предохранения которых представляет большой практический интерес, обеспечивающий уменьшение отходов и увеличения качества пряжи и изделий на их основе.
В дополнение сказанному выше нарушение поверхностного слоя волокон в виде потери жировосковых веществ способствуют повреждаемости и электризуемости волокон и затрудняют их переработку /36/. Поэтому, для восполнения утраченного количества жировосковых веществ рекомендуется подвергать хлопковое волокно процессу замасливания или змульсирования различными жироподобными соединениями. Следует указать, что жировосковые вещества способствуют уменьшению коэффициента трения волокон между собой и способствуют лучшей параллелизации их, снижают пылевыделение, разрушения в различных стадиях процесса прядения. С другой стороны, снижение коэффициента трения приводит и увеличению обрывности и уменьшению прочности пряжи. Когда волокно скользит по твердым поверхностям гарнитуры, валиков и т.д., трения между поверхностями и волокнами настолько высокое, что происходит повышение температуры поверхности, и прилипание сначала отдельных сегментов к поверхностям, вызывающее впоследствии образованию петель, а в дальнейшем и обрывов /52/.
Основной целью обработки является отделение поверхностей нити и хлопковых волокон от поверхностей нити-направляющей гарнитуры пленкой, которая на себя принимает функции регулирования сил адгезии и когезии /53/.
У. Биллиц основными 'задачами обработки волокон считает: смазывание поверхностей волокон; придание оптимальных сил когезии между волокнами; предохранение образования и накопления электростатического заряда / 54/.

- 15 -
Л.Б.Пакшвер провозглашает следующие основные цели обработки волокон регулирование сил трения между волокнами; выравнивание сил трения по длине волокон, так как из-за различной шероховатости поверхностей волокон в процессе их движения возникают большие колебания натяжения; увеличение оптимальных величин модуля растяжения и сдвига, жесткости, изгибоустойчивости, сцепляемости и комплектности; увеличение сцепляемости между волокнами в комплексной нити; образование на поверхности волокон и нитей полимолекулярных слоев, достаточно прочно связанных с волокнами и не удаляемых при их движении /55/, Кроме того, Р.Волел считает, что обработка волокон кроме изменения фрикционных свойств нитей должен также снижать хрупкость, жесткость нитей и волокон, а также повышать их эластичность, скользкость, гладкость, антистатические и другие свойства /56/.

Обработка волокон должна придавать им хорошую сцепляемость между собой и сравнительно хорошее скольжение по металлическим поверхностям, т.е. должно способствовать высокому сцеплению волокон в состоянии покоя и низкому сцеплению во времени движения, т.е. во время вытяжки ленты /57/.
Дж. Голпинш основными целями обработки волокон считает: придание им равномерности трения, оптимальных свойств сцепления и скольжения - оптимальных условий для переработки их в текстильные изделия /58/.
При переработке волокон в промышленности, на многих участках
технологических процессов могут возникать электростатические заряды. Причинами возникновения их являются силовые воздействия, вызываемые трения волокон между собой и между рабочими органами машины /59/. Вследствии разьединения волокон, почти каждое элементарное волоконце приходит в соприкосновение с металлическими

частями гарнитуры машины и отрывается от них при скорости около 900 м/мин. Большие поверхности соприкосновения и сравнительно высокие скорости отрыва волокон создают условия их электризации. Волокна, соприкасаясь в дальнейшем с заземленными металлическими элементами гарнитурами, имеют возможность отдать свой заряд металлу /60/.

A.Шабранд отмечает, что обработка волокон должна обеспечить антистатические свойства, которые могут выражаться через: придание инертности к регенерации электрических зарядов; создание предварительных условий для избежания электризации и условий для стекания образующихся электрических зарядов; нейтрализацию образующихся электрических зарядов. Для снижения электризации волокна при прядении предлагают следуюший состав эмульсии: сульфанол 10 г/л, касторовое смасло 20 г/л /61/.
Касторове масло можно заменить ализариновым в том же количестве. Применение данной эмульсии привело к снижению обрывности.
Поэтому, ряд авторов рекомендуют ввести в состав эмульсии различные компоненты, способствующие увеличению коэффициента трения волокон относительно друг-друга /62-63/. Многие ученые также считают, что одной из основных задач замасливания или змульсирования нити, особенно штапельных волокон увеличение их сцепляемости между собой /55/.
Если хлопковое волокно имеет нормальную влажность ( 8-92) то его подвергают замасливанию. Хлопок пониженной влажности эмульсируют. Сущность замасливания состоит в том, что на хлопок равномерно наносят замасливающий состав.
Наиболее широкое применение замасливателя в качестве смазывающего компонента получили минеральные масла, так как они отличаются низкой стоимостью и доступностью. Однако им свойствен и
- 17 -
ряд недостатков: неудовлетворительный термовязкостный коэффициент дыма при высоких температурах, неудовлетворительная биологическая расшепляемость.
X.Бихерт /64/ и К.Винек /65/, изучая особенности замасливателя текстурируемых нитей, указывают, что наиболее подходящими являются минеральные масла, состоящие из 36 нафтеновых и 64% парафиновых углеводородов, Присутствие ароматических углеводородов нежелательно, так как они имеют тенденцию к диффузии внутрь волокон и вызывают неравномерность окрашивания изделий.
Наиболее широкое применение получили минеральные масла-компонент замасливателя, вязкость которых ограничивается пределами 20-100 сl /66/, Масла с более низкой вязкостью не предохраняют волокна от повреждения, хотя и обеспечивают низкий коэффициент трения, масла с более высокой вязкостью чрезмерно повышают коэффициент трения и вызывают затрудиения при переработке волокон, а также очень часто являются причиной неравномерного распределения замасливателя по длине нитей и как следствие - неравномерного трения.
Для парафинирования пряжи чаше других используются парафины с температурой плавления 52-63°C, хотя температура их плавления практически не оказывает влияния на трение пряжи /67/. При использовании минеральных масел в виде смазок упорядоченная молекулярная структура граничного слоя фазы может быть нарушена, если выделяющаяся при трении тепловая энергия превышает энергию адсорбированных связей. В этом случае граничная смазка теряет свои аномальные свойства отличающиеся от свойств вещества в объеме.
Минеральные масла, как и другие продукты переработки нефти могут применяться для вощения пряжи и нитей, Вощение парафином, микрокристаллином, карнаубским воском с температурой плавления 40-120°C обеспечивает переработку пряжи и нитей на гидравлических станках /68/.
В качестве замасливателя также используют минеральные масла-трансформаторные, велосит Л или велосит Т, веретенное ( специально обработанное ) и т.п.
Специалистами Барнаульского НИИТП выявлено, что эффективность замасливателя зависит от его физико-механических свойств. Были определены основные требования к замасливателю: хорошая электропроводность ( антистатические свойства) ; способность образовывать тонкие пленки на поверхности волокон; отсутствие коррозийных свойств, хорошая вымываемость водой, что важно при отбеливании тканей и ниток, отсутствие неприятного запаха и токсичности, стабильности. Процент замасливателя к общей массе смеси берется в зависимости от состава смеси и влажности воздуха в цехе. Чем пушистее волокно, тем больше его поверхность и тем больше оно должно быть замаслено.
В результате исследований установлено, что с учетом температурно-влажного режима оптимальным процентом замасливания является 0,2 - 0,4% от массы хлопка /69/.
В.И.Калинина и др. указывают, что замасливатель, наносимый на ленту в количестве 0,2% от масси волокон покрывает волокно тончайшей пленкой. Не высыхает и не выпадает в осадок, при этом влажность волокон хлопка сохраняется постоянной, они меньше электризуются. При дискретации замасленных волокон уменьшается повреждаемость их расчесывающим барабанщиком, улучшается процесс движения волокон в конфузоре /70/.
В другой работе в качестве замасливателя предлагают препарат 0С-20 и вотамола /71/.

- 19 -
Как было указано выши при машинном сборе хлопка повреждается волокно. В работе /72/ показано, что замасливание хлопка машинного сбора, пересушенного, зажгученного, обезжиренного и засоренного ценными сорными примесями необходимо осуществить после чесания составами на основе минерального масла в количестве, достаточном для восстановления исходного жиро-воскового слоя волокна.

C.Д.Лузев предлагает замасливатель для хлопка, содержащий минеральное масло, отличающееся тем, что с целью повышения вымываености замасливателя, он содержает дополнительно олеиновую кислоту, триэтаноламин, ализариновое масло и прапарат стеорокс -6 на основе оксиэтилированной стеариновой кислоты со средней степенью оксизтилирования 6 /73/, В работах показана возможность применения в качестве змульсии следующего состава /74,75/: триэтаноламин, соляровое масло, пастол, нашатырный спирт, сульфанол, вода в различных соотношениях. Применение без олеиновой замасливаюшей змульсии позволило снизить обрывность в прядении и ткачестве, улучшить качество пряжи и повысить ее номер, ликвидировать неприятный запах тканей. В качестве замасливателей при проведении исследования в работе исследовали:
a) катионный антистатический замасливатель, рекомендуемый при переработке смесей хлопка с полиэфирными волокнами;
б) антистатический неионогенный замасливатель, аналогичный замасливателю Melube -32 фирмы JSJ Americas Inc.
в) антистатический неионогенный замасливатель низкой вязкости обычно используемый при производстве трикотажной пряжи;
г) замасливатель Melube -32 фирмы JSJ Americas Ine
д) замасливатель NopcostetcAC-I фирмы Фuamond.
Замасливатель Shamrach Сочи (США).

Замасливатель вводили в хлопок в небольших количествах.

Замасливание хлопка привело к существенному снижению разрывной нагрузки пряжи, вырабатываемой пневматическим способом прядения/76/. Хорошими смазывающими свойствами отличаются эфиры дикорбоновых кислот: ди-изо- октил- себацинат, дибутилсебацинат, ди-изо- октиладипинат, диноникодипинат /77/.
Трибохимические испытания свидетельствуют о том, что увеличение числа атомов углерода в спиртовой группе сложных эфиров от 2 до 9 ведет к существенному уменьшению коэффициента трения. По мнению Х.Реурсена /78/ на сегодняшний день наиболее ценными по сравнению с маслами являеются эфиры. Их преимущество заключается в следующем: вязкость значительно ниже, при одинаковых с минеральными маслами показателями вязкости и фрикционных свойств эфиры значительно менее летучи, имеют повышенную термоокислительно - гидролитическую стабильность и смазывающие свойства, лучший температурно- вязкостной коэффициент, биологически расщепляемый ( от 50 до 100") , тогда как минеральные масла в большинстве случаев не расщепляются.
Автор /75/ считает наилучшими эфиры неопентилгликоля, триметиллопропана, пентаэритритоля. Они вполне могут заменить такие натуральные глицериды, как кокосовое масло, менее удовлетворяющие требования смазывающих, но являются дешевле сложных эфиров дикарбоновых киолот типа ди- изо- дециладипината.
П. Клебер /79/ считает, что из всех сложных эфиров монокарбоновых жирных кислот наиболее доступным и являются бутилстеарат.
Замасливатель на его основе отличается хорошими смазывающими свойствами, термостойкостью и хорошей проходимостью в процентах переработки в текстильные изделия. Приводится следующий рецепт такого замасливателя: