САМОЗАТУХАЮЩИЕ ВОЛОКНА И ИХ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ХИТОЗАНА
31 Мая 2017
УДК 677.46:66.02+661.728.7
Целлюлозные материалы, не подверженные химической или физической обработке, легко воспламеняются и интенсивно горят даже после удаления открытого источника пламени. Для их горения необходимо малое количество кислорода, поэтому они имеют низкий кислородный индекс (КИ) 15—18% [1]. В настоящее время в текстильной промышленности особое значение придается созданию огнестойких волокон, нитей и изделий из них. Совмещение наиболее распространенных в природе биополимеров целлюлозы и хитозана представляет несомненный интерес с точки зрения получения композиционных нитей, волокон, пленок, мембран и других полимерных материалов с уникальным комплексом свойств. В частности, сочетание сорбционной активности и гидрофильности обоих полимеров с высокой механической прочностью целлюлозы и антибактериальными свойствами хитозана и его негорючестью позволяет существенно расширить известные области их применения. При этом близость химической структуры макромолекул создает предпосылки для кинетической совместимости этих полимеров в общем растворителе, что позволит избежать отрицательного влияния фазового разделения на физико-механические свойства композиционных материалов. Несмотря на многочисленные варианты, предложенные различными исследователями [2—5], до сих пор в промышленном масштабе не была реализована технология, позволяющая совмещать эти полимеры на молекулярном уровне. Отличительная особенность разработанной технологии получения самозатухающих волокон и нитей на основе целлюлозы и хитозана состоит в том, что это свойство появляется у гидратцеллюлозных волокон не вследствие поверхностной обработки, а в результате совмещения на надмолекулярном уровне целлюлозы и хитозана в их общем растворителе — ортофосфорной кислоте при получении совместных прядильных растворов, что обеспечивает высокую однородность и стабильность свойств сформованных целлюлозно-хитозановых волокон и нитей.
Рисунок 1. Самозатухающее целлюлозно-хитозановое волокно, полученное по бессероуглеродной технологии в ОАО «СветлогорскХимволокно».
Новая бессероуглеродная технология получения гидратцеллюлозных и модифицированных другими полимерами формованных изделий с использованием ортофосфорной кислоты в качестве растворителя является сегодня реальной альтернативой экологически опасному вискозному производству.
Получаемые с использованием этой технологии целлюлозно-хитозановые нити (рис. 1) гигроскопичны, нерастворимы в воде, устойчивы к действию разбавленных растворов щелочей, а также к большинству органических растворителей. По физико- механическим свойствам самозатухающее целлюлозно-хитозановое волокно сравнимо со свойствами вискозных гидратцеллюлозных волокон.
На рис. 2 представлены фотографии поверхности образцов целлюлозно-хитозанового волокна, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Волокна отличаются высокой однородностью по длине и ширине, имеют ровную и гладкую поверхность.
Рисунок 2. Фотографии поверхности экспериментального целлюлозно-хитозанового волокна, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Рисунок 3. Поперечный срез экспериментального целлюлозно-хитозанового волокна состава 80:20.
На рис. 3 представлено изображение поперечного среза целлюлозно-хитозанового волокна (соотношение целлюлоза — хитозан 80:20), которое показывает высокую однородность волокна.
Контрольные испытания горючести самозатухающего целлюлозно-хитозанового волокна и импортных образцов — аналогов химических волокон пониженной горючести были проведены в ГОУВПО «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина». В табл. 1 представлены результаты по определению кислородного индекса экспериментальных образцов целлюлозно-хитозановых волокон и их классификация по группам огнезащитной эффективности. Как следует из данных табл. 1, варьирование содержания хитозана в композиционном волокне позволяет получать материалы различного назначения: от горючих трудновоспламеняемых материалов до негорючих материалов специального назначения.
Следует отметить, что самозатухающие свойства композитных волокон проявляются при формовании изделий из совместных целлюлозно-хитозановых растворов в общем растворителе — ортофосфорной кислоте и не проявляются при механическом смешении порошков полимеров или путем переплетения целлюлозных и хитозановых волокон.
Таблица 1. Кислородный индекс образцов целлюлозно-хитозановых волокон и их классификация по группам огнезащитной эффективности
| Состав волокна | Кислородный индекс, % | Группа огнезащитной эффективности |
| Целлюлоза 100% | 21—22 | Горючие легковоспламеняемые материалы |
| Целлюлоза — хитозан 80%:20% | 28,9 | Горючие трудновоспламеняемые материалы |
| Целлюлоза —хитозан 75%:25% | 35,5 | Негорючие материалы |
| Целлюлоза — хитозан 70%:30% | 57,0 | Негорючие материалы специального назначения |
| № п/п | Наименование образца | КИ, % |
| 1 | Вискозное волокно 0,17 текс пониженной горючести фирмы «Ленцинг» | 28,5 |
| 2 | Вискозное волокно 0,17 текс пониженной горючести фирмы «Ленцинг» после пяти стирок | 20,8 |
| 3 | Целлюлозно-хитозановые волокна состава 70:30 | 57,0 |
| 4 | Целлюлозно-хитозановые волокна состава 70:30 после пяти стирок | 29,0 |
Рисунок 4. Зона задержки роста бактерий вида Staphylococcus epidermidis на целлюлозно-хитозановом волокне.
Исследования бактериостатической активности самозатухающих целлюлозно-хитозановых волокон в отношении тест-культуры Staphylococcus epidermidis (госпитальный штамм) проводились в Испытательном центре перевязочных, шовных и полимерных материалов в хирургии при ФГУ «Институт хирургии имени Вишневского» в соответствии с Методическими указаниями по лабораторной оценке текстильных материалов № 28-6/32 от 18.11.1983 методом «агаровых пластин». Результаты исследований свидетельствует о том, что под целлюлозно-хитозановыми волокнами не происходит роста микрофлоры, то есть волокно обладает бактериостатической активностью (рис. 4). Оно подавляет размножение и жизнедеятельность грибков, замедляет и блокирует рост бактерий.
Наличие бактериостатического эффекта в волокне повышает его инновационную ценность для потребителя, расширяет рынки сбыта.
Целлюлозно-хитозановые волокна — это принципиально новый ассортимент волокон и нитей со специальными свойствами, отсутствующий сегодня на мировом рынке.
Опытное производство самозатухающего целлюлозно-хитозанового волокна по разработанной бессероуглеродной технологии с использованием ортофосфорной кислоты в качестве растворителя целлюлозы и хитозана организовано на участке химико-прядильного цеха ОАО «Светло-горскХимволокно» в результате выполнения контракта по научно-технической программе Союзного государства «Компомат» 2012—2016 годов. Мощность опытно-промышленной установки — 3 000 кг волокна в год (рис. 5).
Рисунок 5. Опытная установка получения самозатухающего целлюлозно-хитозанового волокна.
ООО «Ниагара» проведена текстильная переработка изготовленных ОАО «СветлогорскХимволокно» опытных партий самозатухающих волокон различного состава в нетканые полотна с вложением целлюлозно-хитозанового волокна 80 %. Нетканые полотна обладают самозатухающими свойствами, высокими показателями воздухопроницаемости, гигроскопичности и бактериостатическим эффектом. Получены экспериментальные образцы нетканых полотен для специальной защитной одежды от повышенных тепловых воздействий (интенсивного теплового излучения, высоких температур).
Самозатухающие целлюлозно-хитозановые волокна, по заключению ООО «Ниагара», могут быть использованы в производстве специального текстиля: одежды для работы в экстремальных условиях для военнослужащих, арктического спецназа, войск в пустыне, подводников, шахтеров, подразделений пожарной охраны и поисково-спасательных отрядов МЧС, специальной одежды для металлургов, нефтехимической газовой, электротехнической промышленности, строительства, силовых структур, одежды для длительных сроков ношения без стирки и др. Трикотаж из целлюлозно-хитозанового волокна, в отличие от существующих огнезащитных синтетических тканей, будет регулировать баланс температуры и влажности между телом и одеждой, что даст возможность использовать его для пошива огнезащитного белья. При этом его себестоимость за счет преимуществ новой бессероуглеродной технологии по сравнению со стоимостью хитозановых волокон, получаемых из растворов в разбавленных кислотах, будет примерно в 20 раз меньше и составит ориентировочно 5 долларов за 1 кг.
Применение текстильных материалов с использованием самозатухающих целлюлозно-хитозановых волокон позволит снизить вероятность их воспламенения и предотвратить возникновение опасных для жизни ситуаций, увеличить время покидания места возгорания. Расходы на меры по огнезащите за счет использования текстильных материалов с использованием самозатухающих целлюлозно-хитозановых волокон относительно невысоки. Однако их значимость в части защиты жизни и имущества несоизмеримо выше и выходит далеко за рамки их коммерческой стоимости.
Д.Д. Гриншпан, Н.Г. Цыганкова, С.Е. Макаревич, Т.А. Савицкая
(НИИ физико-химических проблем Белорусского государственного университета);
Г.Ф. Серебряков, В.И. Вовк (ОАО «СветлогорскХимволокно»);
Т.Н. Кудрявцева (ОАО «ЦНИИЛКА»);
А.П. Белоглазов (ООО «Ниагара»)
