Моделирование воздействия неравновесной низкотемпературной плазмы на трикотажные материалы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

А. А. Азанова, В. С. Желтухин, Л. Н. Абуталипова

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ 

НЕРАВНОВЕСНОЙ 

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ 
НА ТРИКОТАЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 687.03:533.9
ББК 37.238:22.333

А35

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук А. Ф. Гайсин

канд. техн. наук Л. А. Тарасов

А35

Азанова А. А.
Моделирование воздействия неравновесной низкотемпературной 
плазмы на трикотажные материалы : монография / А. А. Азанова, 
В. С. Желтухин, Л. Н. Абуталипова; Минобрнауки России, Казан. нац. 
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 236 с.

ISBN 978-5-7882-2721-4

Освещаются вопросы моделирования плазменного воздействия на три
котажные материалы на основе природных целлюлозных волокон. Приведен 
обзор плазменных технологий в отделке хлопчатобумажных и льняных текстильных материалов. Предложена физическая модель воздействия неравновесной низкотемпературной плазмы на целлюлозосодержащие трикотажные 
материалы, приведены результаты математического моделирования воздействия плазмы на парафиновый слой целлюлозного волокна, представлен обширный экспериментальный материал.

Предназначена для широкого круга научных работников и специали
стов, занимающихся вопросами плазменной обработки текстильных материалов, а также для преподавателей, аспирантов и студентов вузов. Будет полезна магистрантам направления 29.04.01 «Технология изделий легкой промышленности».

Подготовлена на кафедре материалов и технологий легкой промыш
ленности.

ISBN 978-5-7882-2721-4
© Азанова А. А., Желтухин В. С., 

Абуталипова Л. Н., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 687.03:533.9
ББК 37.238:22.333

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Сокращения

АСМ
–
атомно-силовая микроскопия

ВИМС
–
вторичная времяпролетная масс-спектрометрия

ВЧЕ
–
высокочастотный емкостной

ДСК
–
дифференциальная сканирующая колориметрия

ИК
–
инфракрасный

МНПВО –
многократное нарушенное полное внутреннее отражение

ННТП
–
неравновесная низкотемпературная плазма

РСА
– рентгеноструктурный анализ

СК
–
степень кристалличности

СПЗ
–
слой положительного заряда

СЭМ
–
сканирующая электронная микроскопия

ТГА
–
термогравиметрия

УЗ
–
ультразвук

УФ
–
ультрафиолет

ФГКМ
–
функция Гуревича-Кубелки-Мунка

ХБ
–
хлопчатобумажное

ЭПР
–
электронный парамагнитный резонанс

ЯМР
–
ядерный магнитный резонанс

Условные обозначения

ε
–
относительное удлинение, %

c
– насыщенность цветового тона

cos θ
– косинус краевого угла смачивания

fтс
– коэффициент тангенциального сопротивления

G
– расход плазмообразующего газа, г/с

h
– капиллярность, мм

h
– цветовой тон

L
– светлота

P
– рабочее давление в разрядной камере, Па

t
– продолжительность процесса, мин

Wi
– энергия ионов, эВ

Wp
– мощность разряда, кВт

z
– равномерность окраски (коэффициент вариации)

η
– удельная вязкость медно-аммиачных растворов 

целлюлозы, сПауз

θ
– краевой угол смачивания, град

τ
– время плазменной обработки, с

К/S
– интенсивность окраски по функции Гуревича
Кубелки-Мунка

П
– поверхностная плотность, г/м2

Пв
– плотность по вертикали, ряд./дм

Пг
– плотность по горизонтали пет./дм

Рн
–
разрывная нагрузка, Н

Руд
–
удельная разрывная нагрузка, сН/текс

Т
– линейная плотность, текс

Т˚
– температура процесса, °С

Тпл
– температура плавления, °С

ВВЕДЕНИЕ

Более 50 % трикотажных материалов в нашей стране произво
дится из хлопка и льна, который для российской промышленности является особо значимым видом текстильного сырья. Важнейшая роль в 
формировании требуемого
уровня показателей потребительских 

свойств трикотажа, наряду с технологическими процессами получения 
пряжи и полотна, принадлежит процессам окончательной отделки. 
Недостатком традиционных процессов отделки, основанных на физико-химической обработке материалов в водных растворах, является то, 
что улучшение одних требуемых свойств сопровождается ухудшением 
других: придание необходимых технологических характеристик перед 
колорированием, а именно высоких показателей гигроскопических 
свойств, приводит к потере прочности материалов, ухудшению грифа 
полотна. Возникает потребность в регулировании свойств материалов 
на стадиях отделки, которое обеспечит комплексное улучшение показателей потребительских свойств готовой продукции.

Формирование требуемых потребительских свойств целлюлозо
содержащих трикотажных материалов на этапе отделки характеризуется высоким водо- и энергопотреблением и использованием разнообразных химических реагентов. Существует проблема высокой стоимости красителей, которая занимает значительный удельный вес в себестоимости продукции, что делает необходимым повышение их выбираемости и степени фиксации волокном с одновременным снижением 
расхода без ухудшения качества готовых материалов. 

Таким образом, проблема получения трикотажных материалов с 

улучшенными потребительскими свойствами и одновременным снижением водопотребления, заменой жидкофазных процессов на сухие и
уменьшением расхода химматериалов является очень важной и актуальной. 

Одним из путей решения данной проблемы может стать направ
ленная плазменная модификация свойств целлюлозосодержащих трикотажных материалов, эффективность которой доказана при отделке 
широкого ряда материалов легкой промышленности (тканей, кожевенных и меховых материалов). Наиболее подходящим для этого является 
использование неравновесной низкотемпературной плазмы (ННТП), 
создаваемой высокочастотным емкостным (ВЧЕ) разрядом при пониженном давлении, которая позволяет проводить не только поверхностную, но и объемную обработку волокнисто-пористых материалов. 

Существенный вклад в развитие теории и практики применения 

плазмохимических технологий для обработки текстильных материалов 
внесли исследования отечественных ученых
–
В. К. Афанасьева, 

Б. Л. Горберга, А. И. Максимова, В. Е. Кузьмичева, Б. Н. Мельникова, 
С. Ф. Садовой, А. Б. Гильман, Л. В. Шарниной, И. Ш. Абдуллина, 
Л. Н. Абуталиповой и др. Настоящая работа является продолжением 
научного направления, связанного с теоретическим обоснованием и 
применением высокочастотной плазмы в производстве материалов 
текстильной и легкой промышленности. Вопросы регулирования 
свойств целлюлозосодержащих тканей и пряжи для ткацкого производства с помощью ННТП, создаваемой ВЧЕ-разрядом, рассмотрены в 
работах Л. Н. Абуталиповой и В. В. Хамматовой. Однако в отличие от 
тканей трикотаж, во-первых, обладает более подвижной структурой и 
растяжимостью, во-вторых, после вязания в нем присутствует парафинирующий состав, наносимый для облегчения процесса вязания, в третьих, кругловязаное трикотажное полотно подвергается отделке в виде 
«трубки», для чего необходима обработка не только внешней, но и 
внутренней его поверхности. В связи с этим требуется расширенное 
исследование плазменного воздействия на целлюлозосодержащие трикотажные материалы.

В монографии освящены вопросы, связанные с научным обосно
ванием плазменной модификации свойств целлюлозных волокон, 
пряжи и трикотажных полотен на их основе. Данная работа является 
попыткой авторов объяснить получаемые эффекты плазменной обработки целлюлозосодержащих трикотажных материалов, основываясь 
на методах математического моделирования и обширном собственном 
экспериментальном материале.

Авторы выражают искреннюю благодарность доктору техниче
ских наук, профессору И. Ш. Абдуллину за помощь, оказанную при 
работе над монографией.

Глава 1. ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОТДЕЛКЕ 

ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНЫХ 

ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ВОЛОКОН

1.1.Анализ современного состояния рынка целлюлозосодержащих 

трикотажных материалов

В настоящее время одежда из трикотажа, благодаря создавае
мым за счет вязания комфортности и удобству в эксплуатации, становится все более популярной [1–6]. Из него изготавливается большая 
часть домашней, бельевой и спортивной одежды. Ежегодный объем 
потребления трикотажных изделий в нашей стране составляет более 
600 млн. ед. [7], при этом доля импорта остается довольно высокой и, 
по официальным данным, составляет около 44 % [2]. Несмотря на это, 
производство отечественного трикотажа ежегодно увеличивается и за 
последние десять лет выросло на 30 % (рис. 1.1) [2]. 

Рис. 1.1. Структура выпуска товаров российскими предприятиями 

текстильной и легкой промышленности в 2005 и 2012 гг., % 

Наибольшие объемы и рост производства приходятся на сегмент 

женских трикотажных изделий – 15,8 млн шт./год. Объем производства изделий мужской группы составляет около 5,3 млн шт./год., спортивной – 2,2 млн шт./год [8, 9]. В структуре российского производства 
трикотажа около 11 % составляет верхняя одежда [6], доля бельевого 

ассортимента, который производится в основном из хлопка, почти в 
два раза больше – около 19 % [3].

Востребованным сырьем для трикотажных изделий является 

пряжа из хлопка и льна, их доля в общем объеме производства трикотажа составляет более 50 %. Благодаря уникальным свойствам природного целлюлозного волокна, они являются незаменимыми для бельевых и детских изделий. 

Весь перерабатываемый в России хлопок импортируется [10], 

несмотря на попытки возродить хлопководство в Астраханской области [11]. При этом сдерживающим фактором хлопководства является 
не только проблемы выращивания хлопка, но и переработки хлопкасырца [12]. 

От общего объема хлопчатобумажной пряжи, перерабатываемой 

на российских текстильных предприятиях, пряжа отечественного производства составляет около 30 %. Ведущие отечественные производители хлопчатобумажной пряжи – это ООО ПТК «Красная ветка» 
(г. Иваново), ОАО «ПНК им. Кирова» (г. Санкт-Петербург) и др. Основными проблемами отечественных предприятий, производящих 
хлопчатобумажную пряжу, является зависимость от импорта и высокая закупочная стоимость сырья, которые не позволяют конкурировать 
с дешевой продукцией иностранных производителей. 

Основная часть импортируемой в Россию хлопчатобумажной 

пряжи приходится на среднеазиатские республики ближнего зарубежья: более половины (56 %) – на Узбекистан, 13 % – на Туркмению; из 
Китая завозится около 19 % от общего объема [13]. Несмотря на то что 
качество среднеазиатской пряжи в последние годы существенно 
улучшилось благодаря проводимому в текстильной промышленности 
этих стран техническому перевооружению, все же основным ее конкурентным преимуществом остается низкая стоимость транспортировки [14]. 

Российские потребители хлопчатобумажной трикотажной пря
жи, производители трикотажного полотна – это, как правило, предприятия с полным циклом производственного процесса (вязание полотна, отделка, изготовление швейно-трикотажных изделий), работающие на основе созданных еще в советские годы трикотажных 
фабрик [15]. Крупными отечественными производителями хлопчатобумажного трикотажа являются ООО «Дилан-Текстиль» (г. Родники,
Ивановская обл.), ООО «Трикотажная Компания» (г. Москва), ООО 
«ПК «Фирма Русь» (г. Ульяновск) и другие. Существуют также трико

тажные предприятия с неполным циклом производственного процесса, 
которые закупают отбеленное и окрашенное полотно и далее колорируют методом трансферной или прямой печати согласно требованиям 
заказчика (ООО «Эконом, г. Курск»). Есть примеры организации новых предприятий. В 2010–2011 гг. ткацко-отделочным предприятием 
ООО «Вавилон*С» запущено трикотажное производство полного цикла в Тейковском районе Ивановской области. В этом же регионе в 
2014 году турецкой компанией Madiyo запущено производство трикотажного полотна в г. Фурманове (фабрика Madiyo Tekstil) [16]. 

К сожалению, многие предприятия, производящие хлопчатобу
мажное трикотажное полотно, не могут использовать высококачественную пряжу. Это связано не только с ее высокой стоимостью, но и 
с невозможностью конкурировать с иностранными производителями, 
предлагающими недорогие трикотажные изделия высокого качества. 
Поэтому существует потребность во внедрении новых, более экономичных материалов и технологий, которые способствовали бы снижению издержек производства и одновременно позволяли бы получать 
высококачественную продукцию.

В отличие от хлопкового сырья, которое полностью импортиру
ется, доля отечественного льна составляет 63 % [2]. Промышленное 
производство льняного трикотажа широкое распространение получило 
сравнительно недавно [17, 18]. В целом период его становления и развития как в России, так и во всем мире не превышает 40 лет [18], что 
связано со сложностью переработки льняной пряжи на трикотажном 
оборудовании. С развитием новых технологий первичной обработки 
льна и совершенствованием прядильного оборудования стало возможным получать пряжу, которая может быть переработана в трикотажном производстве. В настоящее время из льняной пряжи производятся 
в основном верхние трикотажные изделия. 

В числе крупнейших производителей льнопродукции, в том чис
ле льняной трикотажной пряжи – ОАО «Бийская Льняная Компания» 
(г. Бийск, Алтайский край), ООО «Яковлевская мануфактура» 
(г. Приволжск, Ивановская обл.), ООО «Большая Костромская льняная 
мануфактура-Актив» (г. Кострома). Почти для всех отечественных 
предприятий, занятых в переработке льна, остро стоят вопросы снижения себестоимости продукции для расширения внутреннего рынка 
сбыта и повышения качества продукции. Решение этих вопросов невозможно без модернизации технологического процесса, которая может быть обеспечена внедрением нового оборудования и технологий.

Самым крупным отечественным предприятием по изготовле
нию льняных трикотажных изделий является Вологодская производственно-торговая компания ООО «Волтри» (г. Вологда). Льняной трикотаж производят предприятия ПК «Синий лен» (г. Кострома),
ООО «Нерум» (г. Вологда) и др. Данные производства в основном характеризуются как малые, специализирующиеся на серийном и мелкосерийном или единичном выпуске. Несмотря на небольшие объемы 
потребления льняного трикотажа, спрос на него остается стабильным.

Следует отметить особое значение льна для российской легкой 

промышленности. С его производством многие эксперты связывают 
возрождение отечественной текстильной отрасли [19]. С целью развития отечественной сырьевой базы и увеличения выпуска льняной продукции разработана федеральная целевая программа «Развитие льняного комплекса России на период до 2020 года». 

Подводя итог, следует отметить, что область наших исследова
ний затрагивает актуальный и важный сегмент российской легкой и 
текстильной промышленности – производство целлюлозосодержащих 
трикотажных материалов и изделий, доля производителей которых составляет около 20 % от всех предприятий отрасли [2]. Ситуация, когда 
весь перерабатываемый в нашей стране хлопок импортируется, вызывает необходимость повышения эффективности его переработки: снижения издержек производства, повышения качества производимой 
продукции. Развитие льняной отрасли, имеющей особое значение для 
нашей страны, неразрывно связано с обеспечением выпуска конкурентоспособной продукции с высоким уровнем потребительских свойств.

1.2.Свойства природных целлюлозных волокон и трикотажных 

материалов на их основе

Высокая популярность и востребованность хлопчатобумажных и 

льняных трикотажных изделий обусловлены свойствами природных 
волокон, которые, в свою очередь, определяются их строением и свойствами волокнообразующего полимера.

Основой хлопковых и льняных волокон является α-целлюлоза, 

элементарные звенья которой соединяются в линейные циклоцепные 
макромолекулы с помощью глюкозидной связи. Макромолекулы целлюлозы группируются в микрофибриллы, из которых, в свою очередь, 
состоят более крупные образования – фибриллы [20]. Микрофибриллы 
содержат по несколько сот макромолекул; минимальный диаметр