Проектирование и разработка метода производства защитных металлизированных тканей

Актуальность работы. Статистические данные за 2009 и 2010 гг. и прогнозы на 2015 г. говорят о непрерывном росте суммарного мирового производства технического текстиля. Динамичность отрасли проявляется не только в росте объемов выпуска продукции, но и в серьезных структурных изменениях текстильного рынка. По мере перемещения производства традиционного одежного текстиля из Европы па Восток — в регионы с низкой стоимостью рабочей силы, на смену ему в европейские страны приходит производство текстильных материалов специального назначения, новых видов технических текстилей на основе высоких технологий и достижений химии полимеров. Бурный технический прогресс на исходе 20-го века предъявил к текстильным материалам новые, казалось бы, фантастические требования: они должны обладать специфичными свойствами, которые необходимы в конкретной сфере деятельности человека, а так же уметь изменять их в нужном направлении под воздействием внешней среды, т. е. вырабатывать ответную реакцию. Большая часть необходимых для создания такой одежды технологий уже существует или разрабатывается. Поэтому производство высокоразвитых стран сконцентрировалось на выпуске продуктов с высокой добавленной стоимостью, основанных на высоких технологиях, инновациях и качественном дизайне, на выпуске модной продукции высокого класса и технически сложного и специального текстиля, включая последние разработки в этой области — «умный» текстиль. По сути, это комбинация текстиля и электроники. В структуру ткани вводятся металлические электропроводящие нити или полосы и электронные микросхемы, которые при определенных условиях автоматически выдают сигналы или выполняют другие заданные функции. Сфера применения «мыслящего текстиля» весьма широка.

Россия, к сожалению, не входит в число ведущих производителей, экспортеров товаров текстильной промышленности, в том числе и технического текстиля. Так па прошедшей во Франкфурте-на-Майне 10-й Международной выставке технического текстиля ТесИТехШ '2003, несмотря на кризисную ситуацию, приняло участие рекордное количество фирм — 886 из 42 стран. (Россию же представляли только три фирмы — из Кемерово, Москвы и Солнечногорска.) Существенны и различия в структуре экспорта товаров легкой промышленности ведущих мировых стран и России. Так в структуре экспорта зарубежных производителей основную долю составляет продукция с высокой добавленной стоимостью (одежда, трикотаж, технический текстиль и т. д.). Предметом экспорта России до сих пор являются товары с низкой добавленной стоимостью — суровые или частично обработанные хлопчатобумажные и льняные ткани (полуфабрикат, подготовленный к окраске или печати). В условиях же ужесточения конкуренции все большее значение в занятии лидирующих позиций на мировом рынке приобретает конкурентоспособность товаров (качество, дизайн, новые потребительские, медико — биологические и функциональные свойства, и другие). Поэтому получение новых видов технического текстиля на основе натурального отечественного сырья представляется очень перспективным и работа в этом направлении является актуальной. Актуальность этого материала особенно очевидна в связи с активным строительством малоэнергоемких экологичных домов с контролируемой вентиляцией и проветриванием помещений. Этим домам угрожает так называемый «синдром душегубки», вызванный неизбежными газообразными выделениями из новых строительных материалов и изделий: красочных и напольных покрытий, теплоизолирующих прослоек, мебели, пластмассовых деталей, белья и штор из синтетических текстильных полотен. Поэтому, применение натуральных текстильных полотен со специальными свойствами может помочь в решении проблем экологии, пожарной безопасности, защиты от радиоизлучений, бактериального и грибкового заражения. Что касается защитных материалов для средств индивидуальной защиты (СИЗ) от ЭМИ, то здесь надо однозначно, по нашему мнению, ориентироваться на отечественное сырье и материалы, а не использовать зарубежные образцы пусть даже с высокими защитными исходными показателями, но приводящие к завышению стоимости изделий. Разработка новых защитных материалов, с учетом предыдущего опыта, и СИЗ на их основе, позволит решить важный вопрос импорто замещения отечественными средствами защиты.

Цель работы. Разработка, теоретическое обоснование и практическая реализация способа металлизации тканей с целью придания специальных свойств натуральным текстильным полотнам, изготовленным на основе отечественного сырья.

Научная новизна. Ранее в работах профессоров СанктПетербургского государственного университета Н. Н. Труевцева и А. Н. Гребёнкина с сотрудниками [1 — 9] были показаны и теоретически обоснованы возможности использования электрогидравлического эффекта по повышению потребительских свойств различных натуральных волокон для получения качественной пряжи. Электрогидравлический эффект — это способ преобразования электрической энергии в механическую, совершающийся без применения промежуточных механических передач, с высоким КПД. Сущность этого способа состоит в том, что при осуществлении внутри объема жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, специально сформированного импульсного электрического разряда вокруг зоны его образования возникают сверхвысокие гидравлические давления, способные совершать полезную механическую работу и сопровождающиеся комплексом физических и химических явлений [10]. Однако применение указанного способа для повышения потребительских свойств текстильных полотен, полученных из льняной, или других видов пряжи не изучалось. Настоящая работа посвящена разработке и исследованию технологического процесса металлизации текстильных полотен методом теплового взрыва, который является одним из способов воспроизведения электрогидравлического эффекта. Для реализации этого способа электроды различных электрогидравлических устройств замыкаются проводящей проволокой, фольгой в виде ленты, трубкой и! f.n., j представляющей собой взрывающийся тепловой элемент (ВТЭ) [1>1].

Искровой разряд между электродами заменяется тепловым взрывЬм iii проводящего ток элемента, замыкающего электроды, чем заранее задается ' t ff путь разрядного канала и его конфигурация, тем самым уменьшается потери энергии, повышается КПД преобразования энергии и появляются у ]51' 1 дополнительные возможности использования продуктов взрыва, для.

Г* t ¦ i.

И 1 получения новых свойств обрабатываемого материала. Ранее такой способ.

• i обработки текстильного материала не использовался. Возникающий при этом.

J электрогидравлическии удар не отличается от электрогидравлического удара, s образованного обычным разрядом [11]. Ранее такой способ обработки I 1 г текстильного материала не использовался. Также впервые предложена и теоретически обоснована модель металлизированного текстильного полотна с металлическими проводящими частицами, распределенными случайньтм t образом в объеме тканипредложен способ металлизации текстильных.

I) .??L полотен методом теплового взрыва в воде с целью реализации предложенной.

1.1 1 моделиразработаны технологические основы, проведена апробацйя предложенного способа на различных текстильных полотнах и исследованы 1 механические, электрические, радиозащитные, фунгицидные и другие свойства полученных металлизированных текстильных полотен. > В результате проведенной работы впервые получены следующие результаты:

I !

— теоретически рассчитаны параметры металлизированной ткани согласно.

1 J i предложенной модели металлизированного текстильного полотна- - /< W.

1 1.

— рассчитана и изготовлена разрядная камера установки для металлизации ' текстильных полотен методом теплового взрыва в воде- ,''•[¦ '.^j получены образцы металлизированных текстильных полотен ?,??3.

У L '' М натуральных и синтетических волокон- ¦ |', 1. i.

— выявлен характер зависимости металлизации от состава, плотноСтй, толщины ткани и других параметров текстильных полотен- .].

— исследованы физико — механические, электрические, радиозащитные, 1 1 • s -1' ¦ гигиенические и др. свойства полученных металлизированных образцов (1 текстильных полотен- • Г'.

I j.

— проведен сравнительный анализ свойств металлизированных текстильных.

I. полотен со свойствами исходных тканей и тканей, металлизированных.

I 1 1 другими способами, сделано заключение и даны практические рекомендации по применению предложенного метода в промышленности- 1, s.

— предложен новый способ повышения огнестойкости натуральных j 1 i текстильных полотен. 1.

Практическая значимость работы заключается в разработке нового универсального способа металлизации текстильных полотен, позволяющего наносить на них любые проводящие металлы или их сплавы и получать очень широкий спектр новых потребительских свойств текстильных материалов, востребованных различными отраслями промышленности. Результаты выполненных исследований позволяют расширить область применения электровзрывной технологии на текстильную и легкую промышленность. Настоящая работа выполнялась в рамках научного гранта Санкт — Петербургского государственного университета «Развитие концепции создания комбинированных и многослойных структур на основе волокнистых элементов, разработка физических и биохимических методов оптимизации их функциональных свойств», ряд этапов работы проводились в рамках Федеральной Программы РФ «Лен в товары России», международной программы «Наука ради Мира» (Проект NATO SFP — № 973 658 — Improving the performance of flax blended yarns produced on cotton and wool spinning system).

Методы исследования. При проведении экспериментальных исследований свойств металлизированных текстильных полотен использовались стандартные методы текстильного материаловедения, а 1 также автоматизированные приборы STATIGRAF — L, М ICROCOLOR, WIRA. Определение содержания металла в ткани осуществляли с помощью программно — аналитического комплекса на основе портативного рентгенофлюоресцентного кристалл — дифракционного сканирующего.

1 J 1 спектрометра «СПЕКТРОСКАН». Термогравиметрические исследования Г — I проводились на дериватографе фирмы MOM Q — 1500D (Венгрия) систёмы!^ ¦ *!(5 •).

F. Paulik, J. Paulik, L. Erdey. Электрические и радиоизмерения проводились i-'i ¦ ч — на лабораторном оборудовании кафедры физики СПГУТД. > Г.

Микробиологические исследования проведены в лаборатории биологйческйх методов экологической безопасности при Центре экологической fit г t безопасности РАН РФ. t.

Положения выносимые на защиту: г/1 ,.

1. Впервые предложена, теоретически обоснована .'модель.

1 i металлизированной радиозащитной ткани, использующая принцип рассеяния электромагнитного излучения на проводящих частицах, диспергированных случайным образом в ее объеме.

2. Обработка текстильных полотен в гидродинамическом поле позволяет.

S, получать металлизированные текстильные полотна любого состава, как на натуральной, так и на синтетической основе. ].

3. Текстильные полотна, металлизированные обработкой в гидродинамическом поле, независимо от состава, сохраняют все наиболее важные физико — механические характеристики не металлизированиых тканей, но приобретают радиозащитные 1 и фунгицидные свойства. ¦ I.

4. Обработка ткани в гидродинамическом поле в водном растворе глины придает огнезащитные свойства натуральным льняным тканям, не уступающие тем, которые получают при обработках химическими антипиренами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной' работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на следующих.

I I конференциях: всероссийской юбилейной научно технической конфёрёнцйй 1 !

Дни науки" (Санкт — Петербург 26 — 30 апреля, 2003 г.) — международной I 1.

9. •: {. , л — ' • научно — технической конференции «Современные технологии/• ¡-и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ — 2006) Москва, 28 — 29 ноября 2006 г.- V всероссийской научной конференции «Химйя^ технология растительных веществ» (Уфа, 16 — 18 декабря 20Ю&Г/);

— ¦'{ - iv i межвузовских научно — технических конференциях студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии текстильной, лёгкой! и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки 2007 — 2010 г. г.) Санкт — Петербург (СПГУТД) — на научных и научно — методических семинарах кафедр МТВМ и физики СПГУТД (2007 — 2010 гг.) !: f • - • • 1 '.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 12 печатных работ, из них 5 статей и 7 докладов на международных и всероссийских научно — технических конференция^ В^ том числе две статьи в журнале «Дизайн, материалы, технологии», входящего: в список изданий, рекомендованных ВАК. .ч-. :

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 113 наименовании, 3 приложений. Работа содержит 158 страниц, 35 рисунков и.

6.

Заключение

и основные выводы.

Российские текстильщики уверенно чувствуют себя только в производстве тканей для постельного белья. Так как другая продукция отечественных фабрик мало востребована на отечественном рынке. Поэтому для российских производителей текстиля наступили новые времена: им пора менять стратегию. Производить дешевый продукт — значит конкурировать с турками и китайцами в сокращении издержек, постоянно теряя в качестве и ассортименте. Нужно производить текстильное полотно по цене близкое к азиатской продукции, а по качеству и потребительским свойствам ближе к продукции европейских фирм. Одним из возможных направлений и является производство технических тканей с использованием нанотехнологий, в первую очередь со специальными свойствами, расширяющими их области применения. Полученные в настоящей работе результаты показывают, что ткани, полученные предложенным нами способом металлизации текстильных полотен в гидродинамическом поле, могут найти применение в целом ряде отраслей. Например, таких как: текстильная и легкая (производство мебельных и обивочных тканей, спецодежды и элементов повседневной и спортивной обуви, тарных материалов, штор и пр.), медицинская (производство фунгицидных и бактериоцидных перевязочных и подкладочных материалов), пищевая (производство тары и упаковки), радиотехники и радиосвязи (производство радиозащитных экранов и спецодежды), индустрия кино и телевидения (изготовление театрального реквизита, декораций и экранов). Мы не исследовали состав рабочей жидкости после проведения обработок текстильных полотен в гидродинамическом поле, поскольку имеется большое количество работ, включая статьи, диссертации, обзоры и пр., по вопросам формирования химических соединений при электрическом взрыве проводников в воде [110 — 113]. Хотя в будущем, при разработке промышленных установок, реализующих предложенный метод обработки, вопросы очистки рабочей жидкости от образовавшихся химических соединений металлов потребуют специального рассмотрения. Метод универсальный. Позволяет вводить в объем материала любые металлы, их сплавы или просто проводящие частицы любого вещества.

Однако выявлены и ограничения в применении предложенного метода, связанные с целым рядом проблем, возникающих при рассмотрении потребительских свойств полученных нами образцов. Во — первых, ограниченность возможной концентрации проводящих частиц, связанная с сильным воздействием на обрабатываемое текстильное полотно гидродинамических ударов при взрыве проволоки. Поэтому чем тоньше, и менее механически прочный, материал обрабатываемого полотна, тем меньшее количество взрывов проволоки и, соответственно, меньшее количество проводящих частиц можно ввести данным способом в объем материала. Поэтому, предложенный метод может быть рекомендован, в первую очередь, для относительно толстых и прочных текстильных полотен, изготовленных из тканных (брезенты и материалы для спецодежды, мешковина, тарные ткани и упаковка, материалы из синтетических волокон технического назначения и пр.) и нетканых (иглопробивных и иглопрошивных) материалов. Причем процесс металлизации должен предшествовать таким процессам, как отделка, крашение, пошив и т. п. Во — вторых, исследования показали, что при предложенном способе нанесения металлических частиц трудно достичь равномерности их распределения в объеме материала в различных точках его поверхности. Как показали испытания, распределение частиц в объеме текстильного полотна имеет характер, близкий к нормальному распределению, относительно оси взрываемой проволоки. Соответственно и свойства такого полотна будут различаться от точки, к точке, что не всегда приветствуется при оценке его потребительских свойств. В — третьих, характер закрепления металлических частиц в объеме полотна не позволяет использовать его в условиях, которые предполагают частые стирки или химические чистки, поскольку при этом происходит потеря от 30 до 60% частиц, в зависимости от вида материала.

Однако, выявленные недостатки не носят принципиального характера и могут быть устранены путем применения дополнительных технических приемов, известных и новых. В частности нами предложен способ и подана заявка на патент усовершенствованной разрядной камеры, которая позволяет устранить некоторые из указанных недостатков предложенного метода. Для этого исходную суспензию из воды и образовавшихся при взрыве металлических частиц разделяют на порции с повышенной плотностью зарядапорошкообразными токопроводящими фракциями. Каждую порцию суспензии вначале накапливают под давлением во входном отсеке и концентрируют давление в направлении выпускного магнитного клапана за счет придания конусообразной формы накапливающему отсеку. Затем пропускают вдоль оси отрицательного электрода по каналу, образованному разгонными соплами Лаваля, изготовленными из диэлектрического материала. Электрическое воздействие осуществляют с остриев положительных электродов, опоясывающих отрицательный электрод в местах расположения критических сечений сопряженных сопел Лаваля. Количество и геометрию разгонных сопел в канале рассчитывают исходя из удельной плотности, дисперсности и материала частиц исходного порошка, подготовленного для получения наноразмерного материала в водной суспензии. Способ нанесения определяется характером процесса: наносится ли суспензия на текстильное полотно, или сразу не готовое текстильное изделие. Этим будет определяться и конструкция устройства подачи материала в зону обработки. На рис. 29 изображен вариант схемы получения наноразмерного токопроводящего материала электрическим разрядом в воде перед нанесением его на текстильное полотно.

Рис. 32. Схема устройства для получения наноразмерного токопроводящего материала и нанесения его на текстильные полотна Схема включает: блок управления 1- генератор высоковольтных импульсов 2- пусковые 3 и рабочие 4 электродыузел подачи жидкости 5- механизм подачи токопроводящего порошка 6- переключающие электромагнитные клапаны 7 и 8- накопительный отсек 9- смесительный канал 10- разгонные сопла Лаваля 11 и 12- электрод 13 рабочего канала;

137 ребра охлаждения 14. Блок управления генератором обеспечивает по заданной программе управление режимами заряда емкостных накопителей высоковольтной энергии и коммутации этой энергии на пусковые и рабочие электроды. Узел подачи жидкости 5, механизм подачи токопроводящего порошка 6, электромагнитные клапаны 7 и 8 обеспечивают накопление в отсеке 9 исходной порции суспензии. Заданное давление для срабатывания выпускного клапана 8 обеспечивается электрическими разрядами между пусковыми электродами 3. В процессе накопления давления в смесительном канале 10 осуществляется предварительное измельчение исходного токопроводящего порошка за счет разрушающего действия гидроударов. Как только заданное гидродинамическое давление будет достигнуто, узел управления 1 открывает клапан 8 для подачи имульсии в разгонные сопла Лаваля 11 и 12. За счет кавитационных процессов, возникающих в потоке эмульсии в сопле 11, порошковая фракция дополнительно диспергируется и на входе разгонного сопла Лаваля 12структурируется с повышенной плотностью в потоке эмульсии, движущейся между рабочими кольцевыми электродами 4, опоясывающими отрицательный электрод 13. Синхронно, с началом движения потока через критическое сечение сопряженных сопел Лаваля 11 и 12, узел управления 1 коммутирует электроразрядные импульсы высоковольтного напряжения на рабочие электроды 4. За счет высокой плотности токопроводящей фракции в эмульсии, протекающей между электродами 4 и 13 образуются прямые контактные каналы и электровзрывы в этих каналах по типу «взрывающихся проволочек». В результате контактных взрывов молекулярные структуры микропорошковых фракций интенсивно выбрасываются в охлаждаемую ребрами 14 вакууммированную полость сопла Лаваля 12, а затем на обрабатываемый материал. Такая схема позволяет решить сразу несколько проблем предложенного метода: получить металлические частицы очень близкие по размеру, увеличит скорость движения частиц перед нанесением на материал, увеличит площадь разбрасывания частиц, то есть площадь обрабатываемого материала, повысить степень равномерности обработки и автоматизации процесса. Поэтому такая схема может быть рекомендована для получения радиозащитных покрытий, работающих в специально рассчитанном диапазоне длин электромагнитных волн. Таким образом, по проведенным исследованиям можно сделать следующее: Основные выводы:

1. Предложена и теоретически обоснована модель металлизированного текстильного полотна, заполненного по объему микрочастицами металла, вызывающими рассеяние проходящего через полотно электромагнитноего излучения.

2. Предложена формула для расчета диапазона длин волн, в котором наблюдается резонансное рассеяние, при заданных значениях параметров металлизированной ткани.

3. Предложен способ и устройство по металлизации текстильных полотен в гидродинамическом поле для реализации указанной модели.

4. Проведены испытания по металлизации различных натуральных и синтетических текстильных полотен в гидродинамическом поле и проведены сравнительные исследования их свойств до и после металлизации.

5. Установлено, что при одном и том же режиме обработки количество проводящих металлических частиц в объеме текстильного полотна, металлизированного в гидродинамическом поле, не зависит от материала полотна, а определяется только его плотностью. Концентрация частиц растет с увеличением плотности материала.

6. Установлено, что при оптимальных режимах обработки металлизированные в гидродинамическом поле текстильные полотна практически не меняют своих потребительских свойств, по сравнению с исходным не обработанным полотном, приобретая новые радиозащитные свойства в КВЧ и ИК диапазонах электромагнитных волн.

7. Установлено, что наряду с радиозащитными свойствами текстильные полотна, металлизированные в гидродинамическом поле медью, приобретают фунгистатические свойства по отношению к плесневым грибам различных видов.

8. Установлено, что обработка натуральных текстильных полотен в водном растворе глины в гидродинамическом поле позволяет придавать им огнезащитные свойства, сравнимые с обработкой некоторыми химическими антипиренами.