Интенсификация процесса крашения шерстяного волокна.

Интенсификация (фр. intensification, лат. intensio напряжение, усиление) — процесс и организация развития производства, в котором применяются наиболее эффективные средства производства, а также расширение производства. Процесс преобразования расхода ресурсов, а также применение нового оборудования позволяет вызвать рост производительности. Таким образом рост затрат окупается эффективным и экономичным использованием всех ресурсов (как материалов, так и рабочей силы). Альтернативным подходом является экстенсификация, где увеличение производительности достигается за счёт количественного увеличения производственных мощностей. То есть, большее количество рабочей силы и техники(8,9).

Воздействие низкотемпературной плазмообработки.

Нетрадиционные способы обработки текстильных материалов, одним из которых является воздействие на волокно низкотемпературной плазмы, приобретают особую значимость в качестве альтернативы модификации по­верхностного слоя волокна химическими методами.

Данный процесс в настоящее время является экологически чистым, экономичным, эффективным и ресурсосберегающим способом модификации с весьма ограниченным воздействием на более глубокие слои, что определяет перспективность его использования в промышленности. Обработка тек­стильных волокон НТП исследовалась в России, Японии, США, Франции и Польше, но впервые промышленное использование получило в России.

Обработка НТП тканей увеличивает капиллярность и смачиваемость хлопчатобумажных, льняных, синтетических и шерстя­ных тканей водой и водными растворами, улучшаются физико- механические и физико-химические показатели, изменяются фрикционные свойства, повышаются адгезионнные характеристики и накрашиваемость плазмообработанных материалов. При этом не происходит измене­ния гигиенических свойств волокон. В результате плазмообработки изменя­ется электрокинетический потенциал шерсти (изоэлектрическая точка сме­щается в кислую область), с повышением рН снижается ^-потенциал и воз­растает количество отрицательных зарядов в поверхностном слое шерсти на 46% по сравнению с исходной не обработанной; повышается доступ­ность внутренних слоев для диффузии крупных молекул красителей; снижа­ется в 8-15 раз валкоспособность шерсти и в конечном итоге составляет около 2-11% в зависимости от условий обработки. Переработка плазмообработанной гребенной ленты является экономически выгодной вследствие мно­гократного возрастания сопротивляемости пряжи многоцикловым нагрузкам с одновременным повышением ее несвойлачиваемости. Увеличивается мик­рорельеф поверхности волокна, а чешуйки более плотно прилегают к стволу, что приводит к повышению разрывной нагрузки ленты, снижается плотность пряжи =10%.

Низкотемпературная плазма представляет собой частично ионизиро­ванный газ, получаемый в результате электрического разряда, стационарное состояние которого поддерживается подводом энергии внешнего электро­магнитного поля. Степень ионизации газа в неравновесной НТП обычно не­велика (порядка 10"⁶ -10"⁴), концентрация электронов составляет 10¹⁵ -10¹⁸ м"³, а их средняя энергия 1-10 эВ (температура 10⁴ -8 10⁵ К). Средняя энергия тя­желых частиц (ионов, атомов, молекул) на два порядка ниже, а их температу­ра может составлять 300-1000 К , причем минимальной температурой -300 К обладают молекулы. Важным компонентом НТП является интенсивное ваку­умное ультрафиолетовое излучение.

Так как энергия электронов на два порядка выше средней энергии тя­желых частиц, то химически активные частицы образуются за счет электрон­ных ударов, приводящих к возбуждению молекул газа или их распаду. Ак­тивные частицы могут диссипировать при столкновениях с другими части­цами в объеме или при попадании на поверхность текстильного материала, контактирующего с плазмой, а также осуществлять гетерогенные химические реакции (особенно интенсивно протекающие в системах при низких давлени­ях).

Характер образующихся частиц зависит от типа газа. Так НТП инерт­ных газов содержит атомы, электроны, ионы и возбужденные атомы, а НТП молекулярных газов (например кислородной) - атомы кислорода в основном и возбужденном состоянии, метастабильные молекулы, ионы Ог, 0⁺, О", озон и кванты ультрафиолетового излучения .

Считают, что обработка в НТП вызывает образование свободных радикалов, накапливающихся в тонком поверхностном слое (<1 мкм), изменение рельефа и элементного состава (включение О, N и др.) поверхности обрабатываемых материалов.

При воздействии НТП на полимерный материал наблюдается два эф­фекта: специфический для каждого газа изменения поверхностного слоя толщиной < 5 нм и не зависящий от типа газа "глубинный эффект", заклю­чающийся в образовании радикалов, вызывающих процессы сшивки и дегид­рирования (может охватывать слой до 5000 нм). Данное деление условно, так как УФ излучение и активные частицы могут инициировать свободно- радикальные процессы в полимере.

При модификации шерсти в основном используется коронный и тлеющий разряды для достижения малосвойлачиваемости, улучшения физи­ко-механических показателей, смачиваемости, накрашиваемости, адгезион­ных и специальных свойств.

Несмотря на достаточно эффективные результаты, получаемые в лабо­раторных и промышленных условиях, обработка в коронном разряде нашла ограниченное применение в текстильной промышленности, что связано, по- видимому, с конкуренцией со стороны высокоэффективных химических ме­тодов и необходимостью обеспечения защиты от выделяющегося в процессе обработки в коронном разряде при атмосферном воздействии высокотоксичного озона.

В отличие от коронного разряда обработка в тлеющем разряде при по­ниженном давлении не сопровождается выделением каких-либо токсичных веществ в атмосферу. Кроме того, плазма тлеющего разряда обеспечивает высокие концентрации активных частиц и эффективное воздействие на шерсть так, что даже кратковременная обработка позволяет дости­гать высокой степени несвойлачиваемости.

Процесс воздействия плазмы на полимер многоканален и многостади­ен. Возможные варианты процессов в зависимости от условий обработки сводятся к удалению слоя полимера заданной толщины (травление), осажде­нию пленки с требуемыми свойствами (в плазме полимеризующихся газов), изменению химического состава и структуры поверхностного слоя.

В условиях кислородной плазмы тлеющего разряда (ПТР) происходит деструкция и модификация поверхностной кутикулярной мембраны шерсти: эпикутикулы и «а»-слоя экзокутикулы, содержащего до 35% цистина. Как уже отмечалось эпикутикула, как и другие биологические мембраны, пред­ставляет собой липидный бислой и мембранные белки и имеет, по-видимому, мозаичное строение. Именно эти компоненты кутикулы являются основным барьером для диффузии относительно больших молекул красителя внутрь волокна, что определяет их влияние на процесс крашения, кроме того, они определяют электрические свойства поверхности шерсти (поверхностная энергия которого составляет 35-49 мН/м).

Особенность воздействия ПТР на шерсть заключается в сложности со­става, как самой кутикулы, так и составляющих ее веществ, имеющих разно­образные группы, являющихся как донорами, так и акцепторами неспарен- ных электронов и участвующих в реакциях различных типов практически со всеми активными частицами плазмы. В деструкции белков кутикулы и мем­бранных липидов принимают участие десятки различных промежуточных продуктов: активные продукты плазмолиза связанной воды, многочисленные виды свободных макро- и пероксидных радикалов, электронно-возбужден­ные состояния, ион-радикалы молекул, различные пероксиды, синглетный кислород и другие формы активного кислорода и т.п. Вклады различных, ак­тивных частиц в общий процесс деструкции определяется как их выходом, так и кинетическими характеристиками реакций, в том числе и конкурент­ных. При этом выделяют следующие процессы.

Плазмолиз свободной и связанной компонентами кутикулы воды.

Наблюдается резкое снижение количества свободной и связанной воды в поверхностном слое, фиксируемое методом ИК-спектроскопии. Полагают, что основные продукты плазмолиза воды аналогичны хорошо изученным продуктам радиолиза воды. Образующиеся из воды радикалы атакуют ли- пидные и белковые молекулы, вызывая их дальнейшие превращения. Кон­станты скорости реакции радикалов с аминокислотами: тирозином, фенила- ланином, триптофаном, гистидином, аргинином, цистином и белками доста­точно высоки ~10⁸-10⁹ лмоль^'с'¹.

Воздействие активного кислорода (Ог*, О, O3).

В кислородной ПТР, генерирующей метастабили, в том числе синглетный кислород, происходит их тушение биологическими объектами: (Q) - белками и мембранными липидами:

Первой воздействие активного кислорода испытывает эпикутикула, которая содержит около 50% липидов.

Атака направлена на оба конца С=С связи.

Аналогичный механизм имеет место и при воздействии УФ-облучения на липиды в присутствии кислорода. Процесс окисления еще более усугубля­ется при одновременном воздействии вакуумного ультрафиолетового излу­чения (ВУФ) и активного кислорода. Известно, что под действием ВУФ про­исходит образование ненасыщенных связей в молекулах углеводородов и отщепление низкомолекулярных продуктов.

Вновь образовавшиеся ненасыщенные связи окисляются, что приводит к интенсивной окислительной деструкции липидов в эпикутикуле.

В образовании продуктов окисления липидов и белков участвуют и другие формы активного кислорода: озон и атомы кислорода. К ним наибо­лее чувствительны остатки цистеина, метионина, триптофана, тирозина, гис­тидина, цистина, фенилаланина. Дополнительная интенсификация окислительной деструкции липидов и белков происходит из-за каталитического действия ионов железа в эпикутикуле , которые связываются с их кислотными группами. При этом гидропероксидные группы, взаимодействуя с ионами железа образуют свободные радикалы , участвующие в дальнейших превращениях.

Присутствие в ПТР интенсивного УФ излучения обеспечи­вает интенсивное воздействие на хромофорные системы белка (остатки аро­матических аминокислот: триптофана, тирозина, фенилаланина, а также гистидина и серосодержащих аминокислот цистина и цистеина), активно по­глощающие УФ кванты. У облученных УФ квантами белков преобладающей является реакция электронов с карбониль­ными группами, а в белках с высоким содержанием цистина и цистеина еще и реакции с -SH и -SS- группами.

Процессы происходящие в аргоне с последующим термоотжигом приводят к образованию радикалов «пептид­ного», «аланинового», « глицинового» и «цистинового» типа, идентифициро­ванные при сопоставлении характеристик спектров ЭПР шер­сти со спектрами шерсти, бработанной ПТР в аргоне(4-6).