Экспериментальные исследования процесса получения комбинированных функциональных нитей

Витебский государственный технологический университет

В ходе анализа мирового рынка производства и потребления химических волокон и нитей за последние 10 лет установлено, что спрос на химические волокна возрастает ежегодно на 5 % в связи с увеличением потребности в различных отраслях (текстильной, автомобилестроение и аэрокосмической). Наиболее востребованной на рынке синтетических волокон и нитей является полиэфирная продукция: средние темпы роста спроса на полиэфирное волокно вдвое выше, чем на другие виды волокон химического происхождения. По прогнозу Textile World, мировое потребление полиэфирных волокон и нитей до 2030 г. будет непрерывно возрастать и достигнет почти 70 млн т (рисунок 1 а ) [1,2].

Республика Беларусь имеет развитую промышленность химических волокон и нитей. На долю страны приходится около половины общего объема производства этой продукции в СНГ, а по отдельным видам (полиэфирные волокна и нити, полиакрилонитрильные волокна, вискозная кордная ткань) Беларусь является монополистом. Мощности всех предприятий химических волокон и нитей республики составляет порядка 310 тыс. тонн в год. Экспорт химических волокон и нитей в 2017 году достиг 75 % внутреннего производства, так как объем их производства в 2,5–3 раза превышает потребности Беларуси [3].

Одним из ведущих производителей текстильных полиэфирных нитей в Республике Беларусь является ОАО «СветлогорскХимволокно», мощ- ности предприятия позволяют выпускать до 40 тыс. тонн нитей в год (рисунок 2).

Для того чтобы отечественные производители полиэфирных волокон и нитей не потеряли востребованность своей продукции на мировом рынке (традиционные полиэфирные текстильные нити уже достаточно прочно заняли свою ассортиментную нишу), необходимо расширять существующий ассортимент продукции за счет придания традиционным видам сырья новых свойств. Наибольший интерес вызывает ассортимент «умных» нитей – это продукт, способный идентифицировать перемены окружающей среды и приспосабливаться к ним при помощи функциональных трансформаций, в частности, изменять цвет, активировать водостойкость, проявлять антибактериальные и другие специальные свойства [4]. По такому пути развивается ОАО «СветлогорскХимволокно», на сегодняшний день предприятием выпускается новый ассортимент полиэфирных текстильных нитей – функциональных: нити с повышенным капиллярным эффектом Quick Dry, нить с охлаждающим эффектом Cool Black и еще более 18 наименований.

В связи с этим представляет интерес изучение свойств нового вида нитей для выявления их отличительных характеристик от традиционного ассортимента полиэфирных нитей, особенно в комбинации с другими видами волокон.

Из разработанного ОАО «СветлогорскХим-волокно» ассортимента функциональных нитей

Рисунок 1 - Производство полиэфирных волокон и нитей в 2012-2025 гг., мян т :

а) мировое; б) в России [1]

Рисунок 2 – Производство химических волокон и нитей в разрезе организаций концерна «Беллегпром» ( млн руб. )

выбрана нить Quick Dry, главной особенностью которой является увеличенная поверхность испарения, разделение капель пота (воды) на более мелкие частицы и рассредоточение их на большей поверхности полотна (изделия), что позволяет влаге испаряться очень быстро и человеку оставаться в комфортных условиях. Физико-механические свойства нити представлены в таблице 1 [5].

Проведена работа, целью которой являлась оценка целесообразности сочетания комплексной нити Quick Dry с гидрофобными (полиэфирными) волокнами для придания комбинированной нити гигиенических свойств и выбор рациональных параметров получения комбинированной функциональной нити.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

На кафедре «Технология текстильных ма-

Таблица 1 – Физико-механические свойства функциональной нити Quick Dry Показатели Значение Линейная плотность,текс 9,2 Коэффициент вариации по линейной плотности, % 0,6 Число филаментов 48 Разрывная нагрузка абсолютная, сН 285 Коэффициент вариации по разрывной нагрузке, % 4,5 Разрывное удлинение, % 25 Коэффициент вариации по удлинению нити при разрыве, % 10 Относительная разрывная нагрузка, сН/текс 31 Линейная усадка, % 5 Массовая доля замасливателя, % 0,8 териалов» разработана технология получения комбинированных функциональных нитей по кардной системе прядения кольцевым способом формирования. В качестве исходного сырья использованы полиэфирная ровница линейной плотности 714 текс (характеристика волокон представлена в таблице 2) и функциональная полиэфирная нить Quick Dry линейной плотности 9,2 текс. Вырабатывали комбинированную функциональную нить (КФУН) линейной плотности 29 текс трикотажного назначения. При производстве комбинированной нити вытяжка в вытяжном приборе устанавливалась Е = 34, обеспечивая полное покрытие стержневого компонента волокном (соотношение элементов в структуре комбинированной нити составило: 70 % обвивочный слой, 30 % стержневой [6].

Проведен двухфакторный эксперимент по D-оптимальной матрице 32 с двумя повторностями, целью которого являлся выбор оптимальных режимов заправки прядильной машины для получения КФУН, характеризующихся высокой степенью взаимодействия с влагой в жидком и газообразном состоянии [7, 8].

Уровни варьирования входных факторов представлены в таблице 3. В качестве входных факторов выбраны натяжение полиэфирной нити Quick Dry и крутка, сообщаемая комбинированной нити, кр/м .

В ходе предварительных исследований свойств полиэфирной комплексной функциональной нити установлено, что по физико-механическим свойствам она не отличается от традиционных полиэфирных комплексных нитей аналогичной линейной плотности, а повышенные капиллярные свойства нити Quick Dry проявляются благодаря физической модификации нити. Поэтому выходными параметрами выбраны сорбционные свойства комбинированной нити: гигроскопичность (ГОСТ 3816-81 (ИСО 811-81) «Полотна текстильные. Методы определения гигроскопических и водоотталкивающих свойств»), капиллярность (ГОСТ 3816-81 (ИСО 811-81) «Полотна текстильные. Методы определения гигроскопических и водоотталкивающих свойств»), поглотительная способность (ГОСТ 5556-81 «Вата медицинская гигроскопическая Технические условия»), начальная скорость аб-

Таблица 2 – Физико-механические свойства полиэфирного волокна
Параметр	Значения
Длина резки, мм	38,1
Линейная плотность, текс	0,158
Удельная разрывная нагрузка, мН/текс	400
Удлинение при разрыве, %	34
Количество извитков на 1 см	4,1
Склейки, роговидные и грубые волокна, %	0,002
Непрорезанные волокна двойной длины и более, %	0,004
Рассыпчатость	Хорошая
Влажность, %	0,4

Таблица 3 – Интервалы варьирования факторов

Параметры Уровни варьирования -1 0 +1 Натяжение комплексной нити, мН (Х1) 0 100 200 Крутка, кр/м (Х2) 490 590 690 сорбции (определяли расчетным путем). Проч- параметров от входных факторов описывались ностные характеристики опытных вариантов комбинированной нити удовлетворяли требованиям ТУ на данный вид продукции.

При определении капиллярности подготавливались отрезки комбинированной нити длиной 300 ìì, один конец нити закреплялся в зажиме штатива, к свободному концу подвешивался груз (две стеклянные палочки). Груз погружали в раствор бихромата калия, показания снимали через 60 мин.

При анализе гигроскопических свойств подготавливали отрезки комбинированных нитей массой 10 г, помещали их в бюксах в эксикатор на 24 ч, после чего рассчитывали показатель ги- неполным полиномом третьего порядка. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Получены регрессионные модели зависимости выходных параметров от варьируемых факторов:

– гигроскопичности КФУН от натяжения функциональной нити Quick Dry и сообщаемой крутки:

Ъ= 8, 77-0, 518* Xi-0,495 *X2 - 0,54* %! *X2 ; (4)

гроскопичности ( % ):

– капиллярности КФУН от натяжения функци-

– поглотительной способности от натяжения функциональной полиэфирной нити и сообщаемой крутки:

бы, г ; m_ñ – масса элементарной пробы после высушивания до постоянной массы, г .

Поглотительную способность ( Ê ) в граммах

вычисляли по формуле:

15=12, 52 — 0,72 * X2 — 1,18 * X2 ; (6)

где n – количество воды, поглощенное воздуш-

– начальной скорости абсорбции от натяжения функциональной нити Quick Dry и сообща- но-сухой навеской, г; m – масса воздушно-сухой навески после сушки, г; Wô – фактическая влажность, %.

емой крутки:

K/=82, 5 - 20, 5 * X^ * X₂ + 12, 9 * X^ . (7)

Начальную скорость абсорбции ( г /( ìì² ∙ мин )) для каждого образца рассчитывали по формуле:

г =

^абс

т2-т!

,

где m₁ – масса сухого образца, г ; m₂ – масса образца после погружения, г ; S – площадь погружаемой поверхности, ìì² ; t – время выдерживания образца в воде, мин (60 ñ ).

Полученные данные эксперимента обрабатывались с помощью прикладной программы Statistica for Windows. Зависимости выходных

Для оценки статистической значимости разработанных моделей проведен дисперсионный анализ. В таблице 4 для каждого уравнения показана сумма квадратов отклонений регрессии, критерий Фишера ( F-value ), значение которого для всех рассмотренных моделей значительно больше табличного при уровне значимости ð < 0.05, что указывает на достоверность разработанных моделей.

Анализ полученных моделей показывает, что наиболее влияющим фактором на гигроскопич-

Таблица 4 – Оценка значимости разработанных моделей
Эффект ( Effect )	Сумма квадратов отклонений регрессий ( Sum of Squares )	Критерий Фишера ( F-value )	Уровень значимости ( p-value )
Регрессия для модели (1)	697,69	2130,28	0,000000
Регрессия для модели (2)	34521,79	1040,86	0,000000
Регрессия для модели (3)	693,27	1856,54	0,000000
Регрессия для модели (4)	76618,02	3580,49	0,000000

ные свойства комбинированной функциональной нити является крутка, сообщаемая нити.

По полученным регрессионным моделям построены графические зависимости выбранных выходных параметров от варьируемых входных факторов.

Для выявления области рациональных решений необходимо установить ограничения на выходные параметры (свойства комбинированной функциональной нити). Показатель гигроскопичности установлен согласно СанПин 2.4.7/1.1.1286-03 – не менее 10 % (для одежды 1-го слоя). Другие анализируемые свойства (капиллярность, начальная скорость абсорбции, поглотительная способность) – не нормированные показатели, поэтому выбираем диапазон максимально возможных значений, так как эти свойства характеризуют функциональные способности комбинированной нити: капилляр- ность - не менее 65 мм за 60 минут; начальная скорость абсорбции - не менее 90 г/(мм2мин); поглотительная способность – не менее 10 г.

Отмечается локализация области рациональных значений АВС выходных факторов в зоне близкой к максимальному значению крутки 600–680 кр/м и минимальному значению натяжения нити Quick Dry - от 0 до 25 мН .

Проведен сравнительный анализ сорбционных свойств комбинированной функциональной нити и комбинированной полиэфирной нити аналогичной линейной плотности (состав: комплексная полиэфирная нить 9,2 текс , волокнистая мычка – 100 % ПЭ волокно), полученной по параметрам заправки прядильной машины, рекомендуемой для комбинированной функциональной нити (рисунок 3). На рисунке 4 представлена гистограмма сорбционных свойств сравниваемых вариантов нитей. Анализ

Рисунок 3 – Совмещенный график линий равного уровня для принятых показателей качества комбинированной высокоусадочной нити

Гигроскопичность, %

120 q

100 -

80 -

60 ■

40 -

20 -

0 -

-11^—8^-KIH1—~~j

Поглотит. капиллярность, мм способность, г вкомб.функц.н1ггь ОКомбЛЭшггь

Нач.скорость абсорбции, г/(мм.кв.*мин)

Рисунок 4 – Сравнительный анализ свойств комбинированных нитей

полученных данных показывает, что использование полиэфирной нити Quick Dry в сочетании с гидрофобным волокном существенно увеличивает (в 1,5–2 раза) сорбционные свойства комбинированной нити. Полученные результаты доказывают целесообразность сочетания нити Quick Dry с гидрофобными волокнами в структуре комбинированной нити. Применение комбинированных функциональных нитей анализируемого состава для изготовления трикотажных изделий позволит повысить гигиенические характеристики последних.

ВЫВОДЫ

В ходе планирования эксперимента получены математические модели взаимосвязи техно- логических параметров заправки прядильной машины с сорбционными свойствами комбинированной функциональной нити: гигроскопичностью, капиллярностью, поглотительной способностью, начальной скоростью абсорбции.

В результате проведенных исследований установлены рациональные параметры заправки кольцевой прядильной машины, позволяющие обеспечить комбинированной нити повышенные сорбционные свойства. Сочетание функциональной нити Quick Dry с гидрофобными волокнами в структуре комбинированной нити позволяет получить изделия с высокими гигиеническими характеристиками.