Взаимосвязь структуры, свойств и технологии диспергирования лубоволокнистого сырья в ультразвуковых и гидродинамических полях

А.Н. Гребенкин

Взаимосвязь структуры, свойств и технологии 
диспергирования лубоволокнистого сырья в 
ультразвуковых и гидродинамических полях

Москва

Инфра-М

2015

А.Н. Гребенкин

Взаимосвязь структуры, свойств и технологии 
диспергирования лубоволокнистого сырья в 
ультразвуковых и гидродинамических полях

Автореферат

Москва

Инфра-М; Znanium.com

2015

Гребенкин, А.Н.

Взаимосвязь структуры, свойств и технологии диспергирования 

лубоволокнистого сырья в ультразвуковых и гидродинамических полях: 
автореферат / А.Н. Гребенкин. – М.: Инфра-М; Znanium.com, 2015. – 32 с.

© А.Н. Гребенкин, 2003, 2015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность 
проблемы. К началу девяностых годов XX столетия в 
мире снова возрос интерес к натуральным волокнам и в первую очередь к 
льняному и пеньковому' волокну, использующемуся для производства изделий 
бытового и общего назначения. На первый план вышли вопросы количества, 
цены и качества лубяного волокна. Но этот период совпал со спадом 
производства в России, в том числе и на предприятиях первичной переработки 
лубяного сырья. 
Многие из них прекратили свое производство 
или были 
перепрофилированы, другие вынуждены были сильно уменьшить его объёмы. 
Возникла проблема сырья для текстильной промышленности.

Традиционные 
технологии 
переработки 
лубоволокнистого 
сырья 
ориентированы в первую очередь на получение так называемого длинного 
лубяного волокна путем механического диспергирования пучков волокон, 
находящихся 
в 
стеблях 
лубяных 
растений. 
Для 
облегчения 
процесса 
диспергирования 
и 
увеличения 
выхода 
длинного 
волокна 
используют 
дополнительные обработки: биологические, механические, химические, физико 
-  химические и их различные комбинации. По этим вопросам имеется обширная 
литература 
и 
накоплен 
значительный 
экспериментальный 
материал. 
Наибольший 
вклад 
в 
эти 
вопросы 
внесли 
отечественные 
ученые 
из 
Костромского 
технологического 
университета, 
КНИИЛП 
(г.Кострома), 
ЦНИИЛК (г.Москва) и целого ряда других организаций. Однако проблему 
создает качество отечественного сырья. Качество исходного сырья определяется 
агрикультурой растений и климатическими условиями произрастания. К 
сожалению, практически вся территория России относится к зоне рискованного 
земледелия, а повышение шрикультуры требует, 
кроме всего прочего, 
многолетних поисковых исследований по выявлению базового селекционного 
copra для каждого региона страны. Поэтому дальнейшее развитие отрасли будет 
осуществляться в условиях, при которых качество, да и количество сырья вряд 
ли претерпят заметные изменения. Отсюда очевидно, что на новом этапе 
развития отрасли должны быть найдены иные пути переработки сырья. В связи с 
этим возникает’ актуальность разработки новых способов переработки за счет 
поиска и реализации принципиально новых технологических решений, создания 
нового 
высокопроизводительного 
оборудования 
и 
более 
совершенных 
производственных систем для технологии глубокой переработки такого сырья. В 
свою очередь, данная задача не может быть решена без знания структуры и её 
изменения при различных внешних воздействиях.

Однако структура лубяных культур изучена еще недостаточно. 
Причина 
этого в первую очередь в сложности самого объекта исследований -  лубяного 
стебля, представляющего собой очень сложный хемостойкий полимерный 
композит. Это резко сужает 
возможности 
и количество 
используемых 
структурных методов. Поэтому не выяснена до конца молекулярная структура 
составляющих сто компонентов, в частност и лигнина. До сих нор ведутся споры 
о том, является ли он сильноразвегвленным полимером, или нет. Ведутся шоры

о характере липши - углеводных связей. И если эмпирически установлена, 
например, зависимость жесткости льняного волокна от наличия лигнина, то 
механизм этой зависимости неясен. Нет полной ясности по кристалличности 
волокон и вообще по их надмолекулярной структуре. Кроме того, сложным 
объектом для изучения является и сама целлюлоза, из которой в основном и 
состоит лубяное волокно, поскольку этот природный полимер не растворяется в 
большинстве известных растворителей. Этот перечень объективных 
причин, 
имеющегося состояния исследований вопросов переработки лубяного сырья, 
можно было бы продолжить и дальше, что указывает на актуальность разработ ки 
новых 
и 
совершенствование 
существующих 
неразрушающих 
методов 
исследования структуры.

К настоящему времени накоплен значительный фактический материал по 
различным способам переработки льна и пеньки, джута и других лубяных 
культур, 
по 
структуре целлюлозы и её изменениям в процессах обработки. 
Получили дальнейшее развитие как методики изучения структуры целлюлозы 
традиционными методами, такими, например, как аналитические, оптические, 
резонансные и электрооптические методы, так и новыми мощными методами 
изучения структуры, такими, как спектроскопия ядерного магнитного резонанса 
в твердом теле на ядрах Сь ( ЯМР 13 С ВРТТ). Это дает возможность сделать 
следующий важный шаг 
к решению задачи 
по созданию технологии 
комплексной переработки лубяного сырья.

В настоящей диссертационной работе приведены результаты многолетних 
систематических исследований лубяных волокон 
в Санкт -  Петербургском 
государственном университете технологии и дизайна методами ЯМР и ИК -  
спектроскопии, 'ГГА и ДТА, оптической микроскопии, результаты химического 
анализа и механических испытаний лубяных волокон и выработанной из них 
пряжи. С научной точки зрения такое изучение структуры лубяных волокон 
является важным и актуальным, так как дает теоретические основы для 
разработки технологии комплексной переработки такого сырья и, в то же время, 
решает и более общие научные проблемы молекулярной физики и химии 
природных 
полимеров. 
На 
основании полученных 
результатов 
сделано 
теоретическое 
обоснование 
применения 
ударных 
способов 
переработки 
лубяного сырья, предложены, теоретически обоснованы и исследованы методы 
диспергирования такого сырья в ультразвуковых и гидродинамических полях.

Актуальность и значимость исследований подтверждена тем, что ряд 
этапов работы проводились в рамках Федеральной Программы РФ “Лен в 
товары России”, международной программы “Наука ради Мира” (Проект NATO 
SFP - № 973658 -  Improving the performance of flax blended yams produced on 
cotton and wool spinning system), гранта “Соросовский доцент 1997г.”

Целью настоящей работы является 
развитие новых представлений о 
надмолекулярной структуре лубяных волокон, её изменении в процессах 
выделения и облагораживания 
волокна, выбор, на основании полученных

представлений, 
теоретическое 
обоснование 
и 
практическая 
проверка 
предложенных новых способов обработки лубоволокнистого сырья в 
ультразвуковых и гидродинамических нолях. В связи с вышесказанным были 
поставлены следующие задачи:
1. 
Провести необходимые исследования структуры различных лубяных 
волокон и её изменения в процесее обработок, применяемых для их выделения 
из стебля и облагораживания, с целью выяснения и обоснования механизмов 
преобразования молекулярной и надмолекулярной структуры и их влияния на 
потребительские свойства получаемого продукта.
2. 
Предложить 
модель 
строения 
лубяного 
волокна, 
позволяющую 
рассчитывать необходимую энергию для осуществления требуемой степени 
диспергирования любого лубяного комплекса из таких волокон.
3. 
Выявить 
и 
теоретически 
обосновать 
связь 
между 
структурными, 
технологическими параметрами и качеством полученного волокна.
4 
На основании полученных результатов выбрать оптимальное воздействие 
и теоретически обосновать способы, используемые для его реализации;
5. 
Разработать 
необходимое лабораторное оборудование и отработать

оптимальные 
режимы; 
провести 
практическую 
проверку 
предложенных 
способов обработки для различных ввдов лубяного сырья и отходов их 
производства; дать рекомендации и заключения о возможностях предложенных 
способов.

Научная новизна работы состоит в следующем:
1. На основании анализа, в том числе и полученных впервые, спектровЯМР i3C 
высокого разрешения в твердом теле (ВРТТ) лубяного сырья, подвергнутого 
различным видам обработок (механическим, физическим, химическим, физикохимическим, биологическим) и спектров модельных соединений, установлено, 
что лигнин, не образуя лигнин-углеводных химических связей, тем не менее, 
создает стерические затруднения для макромолекул целлюлозы, находящихся 
во внешних слоях микрофибрилл клеточной стенки, не позволяя им находится в 
энергетически выгодной конформации. Это создает напряжение по всей цепочке 
макромолекул 
целлюлозы 
клеточной 
стенки 
и 
соответственно 
всему 
элементарному волокну. Любые высокотемпературные обработки приводят к 
перестройке структуры водородных связей, но не меняют конформационного 
состояния макромолекул целлюлозы во внешних слоях микрофибрил. Волокно 
продолжает оставаться жестким.

2. 
Установлено, что у целлюлозы льна, в отличие от хлопка, из-за наличия 
лигнина аморфная фаза состоит из областей, различающихся молекулярной 
подвижностью, 
но имеющих примерно одинаковую плотность. 
Менее 
подвижная, «замороженная» 
область, имеет молекулярную подвижность 
близкую к подвижности в кристаллической фазе целлюлозы. Это не позволяет 
обнаружить её дифракционными 
методами (например, рентгеносгруктурттого 
анализа и ИК -  спектроскопии), и лишь структурные перестройки в этих 
областях фиксируются методами ЯМР - спектроскопии, как изменение степени 
«динамической» кристалличности.

3. Предложена модель строения лубоволокнистых растений, 
в которой 
между 
макромолекулами 
целлюлозы 
и 
полисахаридов 
имеются 
только 
водородные связи, а лигнин, являясь слаборазветвденным полимером не 
образует с макромолекулами целлюлозы и полисахаридов ни водородных, ни 
химических связей, а играет роль “гостя” в межфибриллярном пространстве 
макромолекул целлюлозы, создавая напряженность вдоль цепи, препятствуя за 
счел своей хоть и не сильной, но трехмерной разветвленности, чрезмерной 
фибрилляции волокон, увеличивая их прочность в поперечном направлении.

4. На основании предложенной модели строения и использования 
представления о лубяном волокне как композите, у которою в качестве адгезива 
выступают пектиновые вещества срединной пластинки, а в качестве субстрата 
первичная 
стенка волокна, 
сделана оценка энергии, 
требующейся 
для 
разрушения такого композита с целью выделения из него волокон, как 
технических, так и элементарных (котонизация), 
с учетом относительного 
содержания лигнина в срединной пластинке и клеточной стенке волокна.

5. Предложена формула для оценки 
пороговой энергии разрушения 
любого лубоволокнистого сырья. Показано, что для получения необходимого 
эффекта требуется использование мгновенных значений энергии, получение 
которых возможно только при использовании ударных способов обработки.

6. На основании полученных расчетов пороговых значений энергии 
разрушения комплексов лубяных волокон предложены методы диспергирования 
такого сырья в ультразвуковых и гидродинамических полях и рассчитаны их 
энергетические параметры.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1 .Усовершенствована методическая база изучения структуры натуральных 
целлюлозных волокон методом ЯМР 13С высокою разрешения в твердом теле. 
Разработанные методики и рекомендации позволяют исследовать влияние 
любых методов обработки на структуру таких объектов, независимо от их 
растворимости, прочности, состояния и пр.

2. Проведены физико -  химические исследования, предложена модель 
строения лубяного волокна и на их основе разработано теоретическое 
обоснование 
применения 
ударных 
методов 
для 
диспергирования 
лубоволокнистого сырья.

3. Предложена формула для пороговой энергии разрушения любого 
лубоволокнистого комплекса, позволяющая оценить возможности применения 
того или иного способа переработки данного вида сырья. Это позволяет 
оценивать не только возможности уже имеющихся способов, использующихся в 
других отраслях промышленности, но и разрабатывать новые, основываясь на 
текущих достижениях физики и химии.

4. 
Разработано и изготовлено специальное лабораторное оборудование и 
проведены испытания по диспергированию различного вида лубоволокнистого 
сырья с целью получения лубяных волокон и их облагораживания (в сравнении с 
традиционными методами). Сделано теорегическое обоснование и рассчитаны

оптимальные режимы обработки в зависимости ог назначения конечного 
продукта.

5. Разработаны, теоретически обоснованы и апробированы( в том числе и

в производственных условиях): 
механический способ 
подготовки короткого

льняного волокна к прядению, который дает возможность получать короткое 
льняное волокно, пригодное для прядения в смеси с хлопком и химическими 
волокнами 
на стандартном отечественном оборудовании 
короткое льняное 
волокно самых низких номеров №2 и №3; способ получения лубяного волокна, 
путем предварительной обработки льняной соломы в ультразвуковом поле с 
целью разрушения связи в стебле между древесиной и пучками лубяных 
волокон, в результате повышается выход длинного лубяного волокна и 
его 
расщеплённость, более, чем в три раза уменьшается содержание костры; способ 
получения длинного льняного волокна из луба 
в гидродинамическом поле, 
который позволяет в принципе заменить существующий способ щелочной 
отварки лубяного волокна в ленте; способ подготовки короткого льняного 
волокна в гидродинамическом поле к прядению его в смеси с хлопком и 
химическими 
волокнами; 
новые 
способы 
утилизации отходов 
льняного 
производства в виде костры и короткого непрядомого льноволокна: предложена 
переработка костры в порошковую целлюлозу, использование костры в качестве 
выгорающих добавок 
при 
производстве 
керамических 
изделий 
и 
для 
производства 
активированных 
углей 
широкого 
назначения, 
показана 
возможность получения 
новых тепло -  звукоизоляционных материалов из 
нефтемаслянных отходов с кострой в качестве наполнителя.

6. Результаты работы внедрены на Невельском 
льнозаводе первичной 
переработки в Псковской области, ООО 
“Невская мануфактура” и ГП 
‘ Веретено” г. Санкт-Петербург. Ведутся работы по внедрению на ООО
“ Петрокерамика” г. Никольское Тосненского района Ленинградской области, а 
также в учебный процесс на кафедре материаловедения, механической 
технологии волокнистых материалов и кафедре физики Санкт-Петербургского 
государственного университета технологии и дизайна в виде учебных пособий, 
лабораторных работ, лекций и лекционных демонстраций (акты внедрения 
прилагаются к тексту диссертации).

Положения, выносимые на защиту:

1. 
На основании анализа, в том числе и впервые полученных, спектров 
ядерного маг нитного резонанса высокого разрешения в твердом теле на ядрах 
Сь, ИК - спектроскопии, ТГА и ДТА, данных оптической микроскопии, 
химического анализа и механических испытаний для образцов различных видов 
лубяного сырья, подвергнутых обработкам, применяемым в сзтцествующих 
процессах выделения и облагораживания лубяного волокна и большого 
количества спектров модельных соединений, сделано заключение о том, что 
между 
полисахаридами, 
целлюлозой 
и лигнином 
в 
лубяных 
волокнах 
отсутствуют химические связи. Липши не образует с другими макромолекулами 
и водородных связей, а входит в состав этих макромолекул в качестве “гостя”, 
создавая, за счет стерических факторов, напряжения в соседних с ним

7

s

макромолекулярных цепях, не позволяя им находиться в энергетически 
выгодной конформации. Липши, будучи разветвленным полимером и находясь 
в межфибриллярном пространстве в клеточной стенке волокна, препятствует 
дальнейшей “чрезмерной” фибрилляции волокон, увеличивая их прочность в 
поперечном направлении.

2. Предложена трехкомпонентная модель надмолекулярного строения 
целлюлозы лубяных волокон с точки зрения молекулярной подвижности 
макроцепей в аморфных и кристаллических областях. Использование этой 
модели для обоснования новых представлений о влиянии лигнина и различных 
обработок на потребительские свойства лубяного волокна.

3. На основании предложенной модели строения лубяного сырья сделано 
теоретическое 
обоснование 
использования 
ударных 
методов 
для 
его 
переработки, и на основании теоретических расчетов предложена формула дтя 
расчета пороговой 
энергии разрушения 
любого лубяного 
комплекса в 
зависимости от содержания лигнина и геометрических размеров волокна.

4. 
Приведено теоретическое обоснование способов диспергирования 
лубяного сырья в ультразвуковых и гидродинамических полях, разработаны и 
изготовлены 
лабораторные 
установки 
для 
проведения 
исследований, 
предложены и апробированы 
режимы обработки для различного лубяного 
сырья.

Апробации работы. 
Основные положения диссертационной работы были 
доложены и обсуждены на: Республиканском межведомственном семинаре -  
совещании “ Переработка, деструкция и стабилизация полимерных материалов” 
(Душанбе, 1981г.); 
Научно -  технической конференции “Ориентированное 
состояние полимеров” (Ленинград, 1984г.); Всесоюзной научно -  технической 
конференции 
“Стабилизация и старение полимеров“ (Барнаул, 
1986г.); 
Межвузовской 
научно 
-  
технической 
конференции 
“Повышешге 
эффективности производства на основе снижения материалоёмкости продукции 
текстильной и легкой промышленности” (Ленин!рад, 1990г.); Юбилейной 
научно-технической конференции, посвященной 60 -  летию 
механического 
факультета 
СПГУТиД 
“Машины и аппараты текстильной и легкой 
промышленности 
(Санкт-Петербург, 
1998г.); 
Международной 
научно- 
технической конференции “Bast Fibrous Plants Today and Tomorrow, Breading, 
Molecular Biology and Biotechnology Beyond 21st Century” (Санкт -  Петербург, 
1998г.); 
Международной научно -  технической конференции “ Актуальные 
проблемы химии и химической технологии “ Химия 99” (Иваново, 1999г.); 
Научно -  практической конференции “ Интенсификация экономики на основе 
индикативного 
стратегического 
планирования” 
(Санкт-Петербург, 
2000г.); 
Международной научно -  технической конференции 
“ Новое в технике и 
технологии текстильной и легкой промышленности” 
(Витебск, Беларусь, 
2000г.); 
Научно -  практической конференции 
“Современные технологии 
производства и переработки льна” (Смоленск, 2001г.); 
Международной научно 
-  технической конференции 
“Актуальные проблемы 
переработки льна в 
современных условиях” (Кострома, 2001 г.); 
Международной 
научно 

практической конференции 
“ Инновационная 
привлекательность льняноо 
комплекса России” (Вологда, 2003 г ), Межвузовских научно -  технических 
конференциях “ Дни науки 1997т., Дни науки 1998г., Дни науки 1999г., Дни 
науки 2000т., Дни науки 2001т., Дни науки 2002г., Дни науки 2003г.” (Санкт -  
Петербург, 1997 -  2003гг.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 44 
печатных 
работах, включая 5 авторских свидетельств и патентов, статьи в 
научных сборниках и журналах, 
доклады на международных и российских 
конференциях.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 
семи глав, заключения, списка литературы (281 наименований). Полный объем 
работы с рисунками, таблицами и списком литературы составляет 390 страниц, 
из них на 290 страницах основной машинописный текст, 68 рисунков, 44 
таблицы. В приложении представлены материалы по внедрению результатов 
работы, акты испытаний, патенты и авторские свидетельства на изобретения, 
документация на разработанные лабораторные установки, дополнительный 
табличный 
и 
экспериментальный 
материал, 
отзывы 
специалистов 
и 
организаций.

Личный вклад автора состоит в выборе цели исследования, постановке задач, 
разработке методики экспериментов и их реализации, анализе и интерпретации 
полученных данных. 
Изложенные 
в 
диссертации результаты 
отражают 
самостоятельные исследования автора и его работы, выполненные в соавторстве.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулированы актуальность, цель и задачи диссертации, ее 
научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, 
выносимые на защиту.

В главе 1 сделан анализ состояния исследований в области переработки и 
модификации лубяного сырья, выделены основные направления исследования. 
На примере работы типового льнозавода 
рассмотрены количественные и 
качественные характеристики отечественного лубяного сырья. Показано, что 
проблема первичной переработки 
в 
частности льна распалась на три 
направления: получение и облагораживание длинного волокна, облагораживание 
(котонизация) короткого волокна и переработка отходов в виде костры и 
короткого непрядомого волокна 
Рассмотрены нерешенные проблемы в этой 
области, выбраны методы и основные пути исследований.

В главе 2 дана характеристика объектов и методов исследования 
структуры лубяного сырья. Дано обоснование использования каждого метода 
для решения задачи изучения структурных изменений при различных видах 
обработки. Описаны методики подготовки образцов к испытаниям и условия 
проведения экспериментов. Приведены физико 
механические характеристики

9