Область техники

Изобретение относится к текстильной промышленности, а именно к способам обработки лубоволокнистых материалов, например, волокон льна, конопли, джута, крапивы, кенафа и других.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известны различные механические, химические, биологические, физические, физико-химические, механохимические способы обработки лубоволокнистых материалов для получения продукта, заданного параметрами технологического процесса, по которому полученное волокно будет перерабатываться. В частности, можно отметить способы, раскрытые в патентах на изобретения RU 2004663, RU 2083746, RU 2145986 и т.п.

Вышеуказанным способам присущи следующие недостатки: поскольку обработка волокон с целью массового удаления инкрустирующих веществ проводится преимущественно химическим путем, то получение деинкрустированных элементарных волокон сопровождается разложением и деструктурированием пектиновых веществ и лигнина, которые являются весьма ценным сырьем для многих отраслей промышленности. Кроме того, для осуществления данных способов требуется дорогое и металлоемкое оборудование, а также используется большое количество химических веществ, что выводит данную группу технологий в ряд наиболее опасных и экологически вредных производств. Также указанные способы характеризует низкая технологичность, обусловленная длительностью процесса обработки для получения требуемого качества конечного продукта.

В основу заявленного способа обработки лубоволокнистых материалов положена идея использования морфологических особенностей обрабатываемого сырья, состоящего из древесной части и элементарных целлюлозных волокон, объединенных в плотный компактный комплекс серединными пластинками, состоящими из гемицеллюлоз, лигниновых, пектиновых и других веществ (азотистые, жировосковые, красящие, дубильные, зольные), так называемых инкрустирующих веществ выполняющих роль природного клеящего компонента. Часть волокон смещены по длине таким образом, что концы волокон, расположенных выше, вклиниваются между теми волокнами, которые находятся ниже, частично образуя сетку. Древесная часть и волокна характеризуются высокой прочностью и гибкостью, а инкрустирующие вещества, объединяющие в единое целое элементарные волокна и их комплексы, обладают малой прочностью и большой жесткостью. Такая структура, состоящая из компонентов, обладающих диаметрально противоположными физико- механическими свойствами и объединенных в единое целое, классифицируется как композитный материал (биополимер).

Объединенные в одну структуру и работающие при приложении извне механических усилий как единое целое, компоненты взаимно дополняют свойства друг друга, позволяя одновременно получать высокую прочность и жесткость исходного лубоволокнистого сырья.

Однако, для получения только текстильного сырья с прядильными характеристиками, предполагается использование только одного компонента - оставшихся тонких волокнистых комплексов элементарных волокон с сохранением упорядоченной кристаллической структуры целлюлозы. И в идеальном случае предполагается полное удаление инкрустирующих веществ, одревесневшей части и сорных примесей. Котонизация - приведение волокон лубоволокнистых культур к состояниям близких по физико-механическим характеристикам к хлопковым волокнам и приемлемых для переработки на существующем прядильном оборудовании.

Существуют биологические ферментативные способы (enzymatic treatment) как отдельно, так и совмещенные с механохимическими способами обработки лубоволокнистых материалов.

В патенте на изобретение RU -Ns 2295592, опубликованном 20.03.2007, указано, что одной из стадий подготовки льняного сырья является его обработка различными растворами для облегчения последующей механической обработки. В данном патенте указано, что технический результат достигается тем, что в растворе для обработки льняного волокна, содержащем ферментные препараты, поверхностно-активное вещество, интенсификатор и воду, согласно изобретению в качестве ферментных препаратов используют культуральные фильтраты микроорганизмов Penicillium canescens и Trichoderma reesei при определенном соотношении компонентов.

Из уровня техники известны также патенты на изобретение US 8,603,802, опубликован 10.12.2013, и US 8,591,701, опубликован 26.11.2013, в которых описываются способы извлечения волокон из лубоволокнистого материала, которые включают в себя предварительную обработку волокна после трепания водным раствором, содержащий цитрат натрия трехзамещенный (натриевая соль лимонной кислоты) или их смеси, имеющие pH в диапазоне около 8 - 14 при температуре около 90° С или ниже, с последующей обработкой различными ферментами и механическим расчесом.

Совмещенная технология описана в статье «Ферментативная обработка как инструмент получения натурального волокна», (Enzymatic Bioprocessing - New Tool of Extensive Natural Fibre Source, Utilization,

(http ://www. saskflax.com/documents/fb papers/29 Marek. pdf) .

Кроме того, из уровня техники известен патент на изобретение RU N° 2124591, опубликован 10.01.1999, в котором раскрыт способ первичной обработки льна, характеризующийся тем, что полученное короткое волокно обрабатывают до получения котонина в камере способом, основанном на аэробном микробиологическом процессе, совмещенном с сушкой при мочке волокна в течение 72 ч и сушке до 8-10% влажности. После этого волокно пропускают через мялку мяльно-трепального агрегата, циклон пневмотранспорта и трясилку 2-3 раза. Эффективность этого способа обеспечивается тем, что получение котонина на льнозаводе будет продолжением технологического процесса первичной обработки льна с использованием там производственных площадей и имеющегося там оборудования (мяльно-трепальный агрегат с трясилкой, кудельно- приготовительный агрегат с трясилкой и сушилкой).

Определенные комбинации ферментов pectinases, hemicellulase (xylanases) и cellulases позволяют дестабилизировать структуру лубоволокнистого материала как биополимера, так как связующие вещества под воздействием микроорганизмов разлагаются быстрее целлюлозы и целенаправленно снизить устойчивость древесной части стебля - костры и остатков тканей паренхимы волокна луба к дальнейшим механическим воздействиям трепания и тонкой очистки.

Однако, используя рентгеновские методы исследований, действие ферментов происходит только на поверхности целлюлозных волокон и не способно проникнуть в поры и нанопоры единичных волоконец. (Role of Polysaccharides on Mechanical and Adhesion Properties of Flax Fibres in Flax/PLA Biocomposite, International Journal of Polymer Science, Volume 2011 (2011), Article ID 503940, point 1, 11 pages, (http://dx.doi.Org 10.l 155/2011/503940).

Также методом УФ спектроскопии установлено, что после трепания модифицированное ферментами короткое льняное волокно освобождается от лигнинного компонента на уровне 50%. (см., например, А. Кареев, А. Пешкова. Способ котонизации низкосортного льняного волокна. 15.08.2008, «В мире оборудования» 5(80)) (http://lpb.ru/7id-4420). Из уровня техники известны патенты на изобретение: РФ 2371527, опубликован 27.10.2009, РФ 2280720, опубликован 27.07.2006, РФ 2233355, опубликован 27.07.2004, в которых обработку лубоволокнистых материалов производят посредством электрогидравлического воздействия, оказываемого на обрабатываемый материал, находящийся в жидкости.

Но, и перед электрогидравлическим воздействием и после него волокно подвергают достаточно интенсивному механическому воздействию: трепанию, чесанию, рыхлению, что значительно ухудшает качество конечного котонизированного волокна, а именно укорочение, распад изначально присутствующих сверхкоротких волокон и, как следствие, получение продукта с высоким содержанием пуха.

Раскрытие изобретения

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении качества котонизированного волокна при обработке лубоволокнистых материалов высоковольтными импульсными электрическими разрядами с предварительной биохимической и заключительной минимальной механической обработкой, и, в результате - повышении его физико-механических и прядильных свойств, что в целом способствует оптимизации и эффективности производственного процесса.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе обработки лубоволокнистых материалов, включающем технологическую последовательность процессов подачи сырья в кипоразборщик с рыхлителем и на дозирующую систему, обработку высоковольтными импульсными электрическими разрядами, полоскании с эмульсирующими реагентами, промывку и отжим в установке барабанного типа, рыхлении, финальной сушки и тонком рыхлении, перед подачей в камеры высоковольтных импульсных электрических разрядов сырье предварительно подвергается биохимической обработке. При необходимости, исходное лубоволокнистое сырье дополнительно обрабатывают высоковольтными электрическими разрядами и перед биохимическим воздействием для облегчения течения последующих биохимических процессов.

Кроме того, способ обработки лубоволокнистых материалов дополнительно может включать выделение биологических и ценных веществ из отработанной жидкой среды из камер обработки высоковольтными импульсными электрическими разрядами Исходным сырьем в заявляемом способе является волокно - полуфабрикат · лубоволокнистых материалов после биологических ферментативных обработок как отдельно, так и совмещенных с химическими способами обработок лубоволокнистых материалов без последующего механического трепания.

Основной особенностью нового способа обработки лубоволокнистых материалов является создание неравновесного состояния системы: обрабатываемый продукт - внешняя среда, которая создается путем использования разных физическо-механических воздействий. Это физико-механическое воздействие применяется после различных предварительных биохимических обработок лубоволокнистого материала.

В качестве физико-механического воздействия используется высоковольтный импульсный электрический разряд в жидкой среде. Высоковольтный импульсный электрический разряд между двумя электродами в жидкой среде (например, в воде) без присутствия сгорающего калиброванного проводника между ними, сопровождается многофакторным комплексом физико-химических и механических воздействий.

Это оптические, ультрафиолетовые, инфракрасные и другие электромагнитные излучения, ультразвуковые и звуковые волны широкого диапазона частот, окислительно- восстановительные процессы, формирование ударных волн. При импульсном электрическом разряде в жидкости происходит быстрое выделение энергии в канале разряда и давление в нем значительно превышает внешнее, канал мгновенно расширяется со скоростью более 100 м/с, что приводит к возникновению ударной волны и потоков жидкости, сопровождающихся сильнейшей кавитацией. Эти явления также приводят к резкому возрастанию площади поверхности раздела газовой, жидкой и твердой фаз а, следовательно, к соответствующему увеличению реакционной способности дисперсных фаз присутствующих в биополимере материалов. Влияние вышеперечисленных факторов позволяет интенсифицировать процессы деструкции исходного сырья за счет воздействия на микродинамику жидких реакционных сред, где, например, вода (появление активных форм кислорода из присутствующих молекул воды и вследствие частичного электролиза при разрядах и кавитации) временно становится катализатором процессов и активным растворителем труднорастворимых веществ даже без введения химических реагентов.

Таким образом, весь этот спектр явлений воздействует на обрабатываемое сырье, подвергая его интенсивному избирательному разрушению: сначала разрушаются остаточные менее прочные и более жесткие инкрустирующие вещества, и древесная часть, в то время как весьма податливые и прочные целлюлозные волокна повреждаются незначительно. Варьируя параметры разрядов можно добиться полного удаления инкрустирующих веществ, упорядочения хаотичного отделения древесной части и сорных примесей и возможности сохранения оригинальной длины и диаметра комплексов единичных волокон.

Как показала практика, это является значимым, так как немедленное последовательное многократное механическое расчесывание волокнистого полуфабриката после биохимических обработок просто крайне неравномерно разрывает все еще частично склеенный продукт, а также неизбежно приводит к укорочению и дальнейшему распаду изначально присутствующих сверхкоротких волокон и, как следствие, к получению продукта с высоким содержанием пуха.

Именно комбинация последовательности биохимических обработок и высоковольтных импульсных разрядов в жидкой среде позволяет полностью удалить аморфный слой полисахаридов типа гемицеллюлозы, пектины и лигнины. Этот мультидисциплинарный подход облегчает отделение древесной части, сорных примесей и мягко распаковывает отдельные связки технических волокон на тонкие волокнистые комплексы элементарных волокон с сохранением их оригинальной длины, диаметра и упорядоченной кристаллической структуры целлюлозы. Дальнейшая механическая обработка на чесальных машинах позволяет получить котонизированное волокно по заданным параметрам технологического процесса конечного потребителя.

Заявленный способ обеспечивает получение котонизированного волокна высокого качества при обработке лубоволокнистых материалов высоковольтными импульсными электрическими разрядами с предварительной биохимической и заключительной минимальной механической обработкой, повышает его физико-механические и прядильные свойства, что в целом способствует оптимизации и эффективности производственного процесса с использованием имеющихся производственных площадей и оборудования.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена схема технологической линии обработки лубоволокнистых материалов.

Осуществления изобретения

Заявленный способ обработки лубоволокнистых материалов осуществляется следующим образом. Предварительно обработанное биохимическими способами волокно-полуфабрикат лубоволокнистых культур поступает на технологическую линию котонизации, которая содержит последовательно установленные по ходу технологического процесса кипоразборщик с рыхлителем (1). Затем на дозирующую систему (2) периодического действия, представляющую собой чашечные весы типа Digi-Balance, наполняемые поступающим из кипоразборщика волокном и сбрасывающие его по мере достижения заданного веса (или камеры ленточного дозирования Truetzschler типа EBWM, Derux GmbH, Германия). Далее в наполненные полуфабрикатом разрядные камеры высоковольтного импульсного электрического разряда (3) подается жидкость, например, вода, где происходит частичная котонизация волокна. Количество разрядных камер зависит от производительности всего комплекса, и находятся в звукопоглощающем пространстве.

Размеры и геометрию разрядной камеры, электрические параметры генератора высоковольтных импульсов, частоту импульсов, длину (зазор) и геометрию межэлектродного пространства, количество электродов и их объемную расстановку, отношение массы жидкости к массе сырья и другие параметры, подбирают так, чтобы создать оптимальные условия развития искрового пробоя и конфигурации ударной волны для эффективной модификации исходных материалов и наилучшей производительности установки в целом. Разряды осуществляются попеременно (вразнобой) и автоматически регулируются.

Разрядные камеры сообщены магистралями подачи жидкости, а отработанная жидкость при помощи насосов поступает в систему фильтрации и рециркуляции (4). После окончания цикла разрядов камеры опрокидываются, и обработанное волокно посредством транспортера поступает на промышленную стирально-сушильную установку барабанного типа (5) где происходит полоскание, отжим и сушка волокна. Для повышения эластичности и гибкости волокна в стирально-сушильную установку добавляются пластификаторы на основе поверхностно активных веществ и эмульсий на их основе.

Стирально-сушильная установка также связана с системой фильтрации и рециркуляции (4).

В секции 6 размещаются установка мокрого рыхления, сушилка и тонкий рыхлитель типа EFO-IV или EMZH, Derux GmbH, Германия для тщательного и бережного рыхления натуральных волокон.

Заканчивается линия прессом для волокна 7. Было установлено, что льняное короткое волокно сорта Агата (Великобритания), обработанное 400 разрядами при уровне энергии каждого разряда 2.2kJ является наиболее подходящим для будущего прядения, так как полученное волокно было совместимо средним диаметром, средней длиной и содержанием короткого волокна с Американским горным хлопком. Были проведены независимые испытания свойств, как самого волокна, так и испытаниями на прядильную способность в компании Filartex SpA (Italy), являющейся ведущей хлопкообрабатывающей компанией в Европе.

Также доказано, что повышение энергии разряда до 3.6 kJ дает такие же результаты по качеству выхода обработанного короткого льняного волокна и это качество можно получить всего лишь при количестве разрядов от 100 до 200.

Тесты на разрывную нагрузку пряжи в смеси с хлопком 40% лен, сорт Electra\60% хлопок.

Пряжа 74,2 tex, 100 повторов.

Appendix 3 Yarn tensile testing results

40/60 Flax(Electra variety) /Cotton yarn, 74.2tex, 100 repeats

Test Force at Elongation at Force at Elongation at Strain at Strain at

No Break (N) Break (mm) Peak (N) Peak (mm) Break (%) Peak (%)

1 7.68 28.17 7.96 27.27 5.63 5.46

2 8.51 30.81 8.51 30.81 6.16 6.16

3 6.87 32.60 8.96 31.70 6.52 6.34

4 4.15 33.49 10.26 32.58 6.70 6.52

5 10.33 34.38 10.33 34.38 6.88 6.88

6 9.76 33.45 9.76 33.45 6.69 6.69

7 6.29 33.44 9.52 32.55 6.69 6.51

8 3.22 29.88 8.02 28.96 5.98 5.79

9 10.11 34.38 10.11 34.38 6.88 6.88

10 10.88 37.06 10.88 37.06 7.41 7.41

11 5.32 32.45 9.82 31.56 6.49 6.31

12 8.28 29.91 8.28 29.91 5.98 5.98

13 5.60 30.67 8.22 29.77 6.14 5.95

14 8.95 33.51 9.32 32.61 6.70 6.52 3.49 34.36 9.15 33.44 6.87 6.69

10.21 31.66 10.21 31.66 6.33 6.33

7.67 27.14 7.67 27.14 5.43 5.43

4.55 32.43 9.67 31.52 6.49 6.30

4.72 30.70 8.65 29.79 6.14 5.96

4.93 36.17 11.24 35.26 7.24 7.05

5.48 33.47 9.24 32.55 6.69 6.51

3.35 34.35 9.79 33.44 6.87 6.69

9.04 31.67 9.04 31.67 6.33 6.33

7.91 28.97 7.91 28.97 5.79 5.79

4.34 32.44 8.94 31.53 6.49 6.31

7.97 29.78 7.97 29.78 5.96 5.96

6.38 29.77 7.52 28.89 5.95 5.78

8.96 30.75 8.96 30.75 6.15 6.15

4.82 34.37 9.59 33.44 6.87 6.69

9.28 31.62 9.28 31.62 6.32 6.32

3.94 30.73 8.56 29.81 6.15 5.96

8.23 28.84 8.23 28.84 5.77 5.77

6.93 29.78 7.51 28.89 5.96 5.78

9.12 30.66 9.12 30.66 6.13 6.13

7.48 30.72 7.48 30.72 6.15 6.15

6.44 26.10 6.91 25.21 5.22 5.04

6.46 28.88 7.10 28.00 5.78 5.60

5.55 33.35 8.97 32.45 6.67 6.49

3.53 34.33 9.34 33.40 6.87 6.68

6.80 30.69 7.73 29.80 6.14 5.96

6.70 33.45 9.62 32.55 6.69 6.51

3.84 30.76 8.08 29.84 6.15 5.97

8.22 28.98 8.22 28.98 5.80 5.80

6.28 32.65 9.59 31.75 6.53 6.35

7.64 28.16 7.64 28.16 5.63 5.63

9.11 31.69 9.11 31.69 6.34 6.34

7.24 29.91 8.16 29.01 5.98 5.80 8.90 32.62 8.90 32.62 6.52 6.52

4.75 30.82 8.84 29.90 6.16 5.98

8.04 29.01 8.04 29.01 5.80 5.80

8.53 32.61 10.10 31.70 6.52 6.34

10.21 33.47 10.21 33.47 6.69 6.69

9.48 31.80 9.48 31.80 6.36 6.36

7.33 31.70 10.03 30.81 6.34 6.16

10.16 33.49 10.16 33.49 6.70 6.70

6.45 31.68 8.82 30.79 6.34 6.16

4.49 30.83 9.11 29.91 6.17 5.98

2.92 31.64 7.58 30.74 6.33 6.15

3.46 33.49 9.23 32.57 6.70 6.52

10.25 33.60 10.25 33.60 6.72 6.72

9.67 35.28 9.67 35.28 7.06 7.06

7.96 28.10 7.96 28.10 5.62 5.62

4.76 30.78 8.24 29.87 6.16 5.97

5.81 30.78 8.29 29.90 6.16 5.98

5.98 28.94 7.06 28.05 5.79 5.61

4.01 31.70 9.00 30.79 6.34 6.16

8.69 30.74 8.69 30.74 6.15 6.15

7.68 29.03 7.73 28.14 5.81 5.63

4.05 31.76 8.46 30.84 6.35 6.17

8.72 34.44 9.76 33.55 6.89 6.71

2.87 28.98 8.18 28.06 5.80 5.61

7.97 27.21 7.97 27.21 5.44 5.44

3.11 29.86 7.52 28.96 5.97 5.79

7.93 28.94 7.93 28.94 5.79 5.79

3.75 36.19 10.05 35.28 7.24 7.06

3.24 32.63 9.05 31.71 6.53 6.34

9.33 33.50 9.33 33.50 6.70 6.70

7.54 28.03 7.54 28.03 5.61 5.61

8.65 30.81 8.65 30.81 6.16 6.16

7.02 27.23 7.02 27.23 5.45 5.45 81 8.56 31.73 9.18 30.80 6.35 6.16

82 8.00 34.42 9.26 33.51 6.88 6.70

83 7.15 31.77 9.19 30.88 6.35 6.18

84 9.18 32.67 9.18 32.67 6.53 6.53

85 4.45 32.59 8.87 31.67 6.52 6.33

86 2.63 28.12 7.37 27.21 5.62 5.44

87 7.88 29.02 7.88 29.02 5.81 5.81

88 3.73 29.82 8.01 28.91 5.96 5.78

89 9.72 34.37 9.72 34.37 6.87 6.87

90 6.18 31.65 8.60 30.76 6.33 6.15

91 9.40 32.70 9.40 32.70 6.54 6.54

92 7.33 27.18 7.33 27.18 5.44 5.44

93 7.32 26.25 7.32 26.25 5.25 5.25

94 3.50 29.04 7.08 28.13 5.81 5.63

95 8.19 30.82 8.88 29.92 6.16 5.98

96 4.35 29.88 8.51 28.97 5.98 5.79

97 8.09 29.92 8.09 29.92 5.98 5.98

98 9.54 31.76 9.54 31.76 6.35 6.35

99 3.32 29.87 7.87 28.96 5.97 5.79

100 9.72 35.36 10.73 34.46 7.07 6.89

Min 2.63 26.10 6.91 25.21 5.22 5.04

Mean 6.85 31.34 8.77 30.82 6.27 6.16

Max 10.88 37.06 11.24 37.06 7.41 7.41

S.D. 2.26 2.32 0.98 2.29 0.47 0.46

C. of V. 33.02 7.41 11.12 7.44 7.41 7.44

L.C.L. 6.40 30.88 8.58 30.36 6.18 6.07

U.C.L. 7.29 31.80 8.96 31.27 6.36 6.25

Промышленная применимость

Волокно, полученное заявленным способом, имеет качество, которое позволяет использовать его при производстве широкого ассортимента пряжи на существующем прядильном оборудовании, нетканых материалов и различных изделий технического, медицинского и бытового назначений.