Надмолекулярная структура волокон, хранение хлопка-сырца в бунтах,сушка волокон перед хранением и при переработке, топография поверхности волокна высушенных при 160 и 200 0С, изменение поверхности и кристаллитов волокна.
В настоящее время для хлопкоочистительных заводов и заготовительных пунктов ключевой проблемой является сушка хлопка-сырца и его хранение в бунтах. Анализ литературных работ показал, что при сушке хлопка-сырца при высоких температурах, а также хранении в бунтах происходит ухудшение таких важных характеристик, как разрывная нагрузка, извитость, длина и образование пороков волокна, причем для различных селекционных сортов хлопчатника и изменения различны [1]. Изложенное требует дополнительного изучения тонкой микроструктуры, т. к. прочностные и технологические свойства волокон хлопчатника, как и других полимерных веществ, неразрывно связаны с изменениями их надмолекулярной структуры.
Одним из прямых методов исследований надмолекулярной структуры полимерных материалов, в том числе волокон хлопчатника, является метод электронной микроскопии. В настоящем разделе описываются результаты изучения надмолекулярной структуры волокон сорта “Юлдуз”, подвергнутых различным температурам сушки. Для исследования хлопок-сырец брали с трех участков бунта: верхней, средней и нижней частей. Для изучения изменения надмолекулярной структуры при данных превращениях использовали два независимых метода исследования электронной микроскопии. Указанные методы исследования позволяют исследовать изменения, происходящие на поверхности (метод реплик) и вторичной стенке (метод гидролиза) волокон. Подробная методика приготовления препаратов описана в методической части работы.
Известно, что на посевах хлопчатника с избыточной густотой стояния растений создается иной микроклимат, в условиях которого влажность хлопка-сырца становится более высокой, чем на посевах с принятой густотой и лучшей проветриваемости. Заготовители хлопка-сырца предпринимают все необходимые меры, чтобы организовать сбор семян и обеспечить сохранность их качества в процессе переработки и хранения. Смешанный сбор в общую партию вполне зрелого хлопка-сырца с недозрелым, имеющим повышенную влажность, приводит к самосогреванию и к порче семян, а также ухудшает многие технологические качества. Условия хранения (в бунтах, складских помещениях и др.) стимулируют бурное развитие бактерий и грибков на хлопке-сырце, которые поглощают кислород, а выделяют углекислый газ и тепло. Поэтому ухудшается качество семян и волокна.
На хлопкозаготовительных пунктах и перерабатывающих заводах хранятся около 80 % заготовительного хлопка-сырца. Условиям сушки до кондиционной влажности, а также правильного хранения хлопка-сырца ключевой проблеме хлопководства, посвящены многие исследования [2,3].
Начало проведения наши исследования посвящено изучению топографии поверхности волокон хлопка-сырца, взятых с верхней, средней и нижней частей бунта. Срок хранения в бунтах составил три месяца. Прежде всего, следует отметить, что топография поверхности зрелого хлопкового волокна, собранного с поля, в зависимости от разновидности сортов и форм хлопчатника (дикие, полудикие, культурные формы), характеризуется многочисленными складками и выступами, расположенными на поверхности под острым углом по отношению к оси волокна. В данном случае также наблюдается характер этой картины. Однако, несмотря на то, что исследованию подвергали волокна одного сорта «Юлдуз», в зависимости от условий хранения в бунтах, поверхности волокон несколько различаются. Так поверхность волокон, подвергнутых исследованию с верхней части бунта характеризуется более однородной структурой. Складки и выступы расположены под острым углом к оси волокна и расстояние между складками небольшое. Складки распределены достаточно параллельно относительно друг друга и оси волокна. Несколько другая картина обнаруживается при рассмотрении поверхности волокон, взятых для исследования со средней и нижней частей бунта при хранении. Несмотря на то, что оба образца относятся к сорту «Юлдуз», их поверхность резко различается: сохраняется складчатость, но расстояние между складками намного больше, чем у образца, отобранного с верхней части бунта, что особенно хорошо видно у волокна из нижней части бунта при хранении. Поверхность волокна имеет совершенно другой вид: поверхность неоднородна, между складками наблюдаются некоторые глобулярные и бесформенные структурные элементы. Наблюдаемому эффекту, по-видимому, способствуют условия хранения хлопка-сырца в нижней части бунта. Как мы отмечали ранее, при анализе технологических качеств волокон из различных частей бунта, в образцах, взятых из нижних частей многие технологические качества резко ухудшаются. Между однородностью поверхности и технологическими качествами волокон обнаружена зависимость и в работе А. Муратова и К. Ф. Гесос. По данным авторов, чем однороднее поверхность волокон, тем выше качество волокон. В данном случае более однородная поверхность волокна наблюдается у образцов, взятых с верхней части, чем средней и нижней. Следовательно, ухудшение технологических качеств волокон от верхней к нижней части бунта подтверждается также изменениями, происходящими на топографии поверхности изученных волокон. Аналогичные изменения обнаружены и при изучении вторичной стенки волокон методом кислотного гидролиза.
При помощи метода гидролиза разбавленной кислотой и последующей диспергацией ультразвуком различных сортов хлопчатника можно обнаружить наличие и качество микро фибриллярных агрегатов элементарных фибрилл волокон. Такие микро фибриллярные агрегаты можно рассматривать как реальные морфологические единицы хлопковых волокон, связанных между собой элементарными фибриллами или пучками макромолекул с низким порядком. Зависимость гидролизуемости препарата от его структуры широко используется для характеристики качества волокон, определения кристаллических и аморфных веществ.
На электронных микроснимках ясно обнаруживаются масса тонких и довольно однородных микрофибрилл и их агрегаты, или так называемые кристаллиты. Ширина их колеблется от 100 до 150 А0, в зависимости от места хранения волокон в бунте. Установлено, что все кристаллиты агрегированы и агрегация наиболее четко проявлена при исследовании препаратов волокон, взятых из верхней и средней частей бунта. При изучении волокон, полученных из нижней части бунта (относительно меньшей крепостью), наряду с асимметрическими частицами наблюдаются бесформенные частицы. Изложенное говорит о том, что эти образцы больше и быстрее подвергаются процессу гидролиза. Отсюда можно заключить, что гидролизуемость связана с крепостью волокон.
Таким образом, можно заключить, что место хранения хлопка-сырца в бунтах существенно влияет не только на технологические свойства, но и на структуру волокна, как на поверхности, так и на вторичной стенке.
Немаловажное значение имеет сушка волокон перед хранением и при переработке. Процесс сушки хлопка-сырца в первом периоде осуществляется в общем случае за счет удаления свободной влаги из волокна и поверхности кожуры семян. При сушке в сушильных установках происходит быстрый нагрев и обезвоживание, причем процесс нагрева происходит значительно интенсивнее, чем обезвоживание. Механизм сушки влажных материалов определяется, в основном, режимом сушки и формами связи влаги с материалом, за основу классификации которых принята схема П. А. Ребиндера. Согласно, схеме различают: химическую связь (в точных количественных соотношениях); физико-химическую связь (в различных, не строго определенных соотношениях), которая делится на адсорбционную и осмотическую.
Известно, что хлопок-сырец является термочувствительным материалом и интенсификация процесса его сушки, при больших температурах, обычно сопровождается изменением механических свойств и товарного вида волокна. В научной литературе имеются информации об исследованиях свойств и структуры хлопкового волокна в процессе сушки. Следует отметить, что различие форм связи компонентов хлопка-сырца с влагой приводит к отличию их гигроскопических свойств. По мнению авторов, сорбционная способность волокон хлопчатника зависит от наличия гидроксильных групп в целлюлозе. Энергия водородных связей, возникающих между молекулами воды и гидроксильными группами целлюлозы, оказывается недостаточной, чтобы разрушить кристаллическую решетку. Поэтому сорбция воды происходит только в аморфных областях и не затрагивает кристаллические участки. Имеются противоречивые мнения о влиянии жиро воскового слоя поверхности на их сорбционные свойства. Так, Королев В. К. и Щекольдин М. М. считают, что наличие жиро воскового слоя делает поверхность волокна влагопроницаемой. Что касается сорбционной способности кожуры и ядра семени, то большинство исследователей считает, что у кожуры она выше, чем у ядра семени. При увлажнении семян вся поверхность кожуры пропускает влагу одинаково.
Таким образом, хлопок-сырец является материалом, обладающим гигроскопичностью, так как сорбционные свойства компонентов хлопка-сырца различны, то происходит неравномерное удаление влаги между компонентами. В частности показано, что процесс сушки волокна происходит быстрее, чем у семян. Несмотря на большое значение процесса сушки хлопка-сырца для хранения и переработки, некоторые аспекты данной проблемы остаются малоизученными. Особенно, это касается изменений надмолекулярной структуры волокон хлопчатника, происходящих в процессе температурной сушки хлопка-сырца в бунтах.
Нами было подробно исследованы изменения надмолекулярной структуры волокон сорта хлопчатника «Юлдуз» взятых из верхней, средней и нижней частях бунта и высушенные при 160 и 2000С.
Прежде всего, рассмотрим изменения, происходящие при высушивании волокон, взятых из проб верхней части бунта.
Топография поверхности волокон, высушенных при 1600С несколько отличается от не высушенных исходных, но по характеру расположения структурных элементов на поверхности почти идентичны с другими зрелыми волокнами сортов вида Ghirsutum. Несколько другую картину можно наблюдать при высушивании волокон при 2000С. В отличие от исходного и высушенных при 1600С, топография их поверхности характеризуется многочисленными складками расстояния, между которыми колеблется в пределах 0,2–1,3 мкм. Наряду с гладкой структурой поверхности наблюдаются грубые структурные нарушения, особенно, резко меняется угол между складками и осью волокна. Причиной подобного нарушения структурной неоднородностью поверхности является действие высокой температуры. Из литературы известно, что даже кратковременная сушка волокна (7–30 с) при 150–2000С приводит к структурным изменениям различной степени, которые подтверждаются значительным изменением плотности целлюлозы волокна. В другой работе отмечается, что при кратковременном прогреве целлюлозы до 120 -1700С не происходит заметных структурных изменений, в то время как прогрев до температуры свыше 160–1800С приводит к интенсивному разрушению молекул целлюлозы. Авторы утверждают, что это связано с термическим распадом молекул целлюлозы. В нашем случае также обнаружено, что сушка при температуре 1600С по сравнению с 2000С существенных изменений топографии поверхности не приводит.
При рассмотрении гидролизованных препаратов волокон, взятых из верхней части бунта хранения, также было обнаружено, что температура сушки 1600С в меньшей степени влияют на кристаллиты целлюлозы волокон, чем при 2000С. Кристаллиты имеют те же размеры и формы агрегации, что и исходный образец. В отличие от них, у образцов, высушенных при 2000С наряду с асимметричными частицами наблюдаются бесформенные и глобулярные частицы.
Степень агрегированности в данном случае намного меньше, чем у предыдущего образца. Такому резкому изменению форм и размеров при сушке способствует влияние повышенной температуры.
Существенным изменениям поверхности и кристаллитов подвергаются волокна, высушенные при 2000С. Происходящим изменениям, по-видимому, способствуют два фактора: если первый температурный; второй — изменения, происходящие в различных участках самих бунтов, нами описаны выше. Но, результаты исследований показали, что между картиной топографии поверхности и кристаллитов исходного волокна (проба из средней части) и высушенных при 1600С (особенно, при 2000С), наблюдается резкое отличие. В частности, это хорошо отражается на размерах, формах и агрегации гидролизованных препаратов.
У длинного образца очень хорошо выделяются мелкие глобулярные образования и лесоциациты (кстати, они тоже являются плотными участками микрофибрилл). По сравнению с предыдущими образцами их количество намного превышает, а по размеру — намного уступает. Из литературы также известна корреляция между размерами кристаллитов и прочностными характеристиками волокон хлопчатника. Если исходить из этих соображений, то данный образец обладает меньшей крепостью по сравнению с предыдущим и исходными образцами. То есть менее прочные волокна легко подвергаются кислотному гидролизу по сравнению с прочными волокнами. Уменьшению прочности с одной стороны способствовало действие термофильных грибов, находящихся в середине бунта хранения, с другой стороны повышенная температура.
При анализе волокне взятых из проб нижней части бунта хранения, очень хорошо наблюдается эффект слияния вышеупомянутых факторов на изменчивость надмолекулярной структуры. Следует отметить, что изменения, происходящие при высушивании (160 и 2000С) резко отражаются как на топографии поверхности, так и на характере выделения кристаллитов, что особенно проявляется на поверхности волокна. По -видимому, их образованию, в основном, способствовали условия хранения (место), так как в этих условиях очень хорошо развиваются микроорганизмы, разрушая структуру и свойства волокна. Дальнейшая высокотемпературная сушка также влияет на названные свойства, но в меньшей мере, чем микроорганизмы, находящиеся в данном слое бунта. Следует отметить, что глобулярные частицы, наблюдаемые в данном образце, не были обнаружены у образцов, пробы которых были взяты с верхней и средней частей бунта. Следовательно, образованию глобулярных частиц, особенно, на поверхности, более способствовало влияние микроорганизмов, чем влияние сушки.
Глубокие изменения претерпевает и вторичная стенка волокна, что где кристаллиты по размеру и степени агрегированности резко отличаются (уменьшаются) от всех исследованных волокон хлопчатника.
Помимо асимметрических частиц наблюдаются глобулярные образования, размеры которых колеблется в пределах 10–200 
, т. е. данный образец очень легко подвергается действию разбавленной кислоты. Следовательно, прочность данного образца также находится несколько ниже, чем у исходных и высушенных при 1600С. Таким образом, можно заключить, что при высокотемпературной сушке, независимо от места положения в бунтах для хранения волокна, в хлопке-сырце происходит значительное структурное изменение. Причем, чем выше температура, тем больше изменение. В частности показано, что повышение температуры сушильного агента ведет к росту дефектности микроструктуры, как на поверхности, так и во вторичной стенке волокна. Показано, что в результате сушки хлопка-сырца при температуре свыше 1600С происходит уменьшение угла между складками и осью волокон, образуются глобулярные частицы различных размеров, а также наблюдается резкое уменьшение размеров кристаллитов микрофибрилл.
Установлено, что наблюдаемые структурные изменения, происходящие при различных условиях хранения в бунтах, а также высокотемпературной сушке хлопка-сырца обязательно должны отразиться и на их физико-механических характеристиках.
ВЫВОДЫ
1. Экспериментально изученная кинетика разрушения волокон по технологическим переходам от бунта в процессах сушки, очистки, джинирования, волокноочистки до прессования показали:
а) что природа разрушения волокна носит двойственный характер- разрушение происходит при общем нагружении волокна при хранении в бунтах и в точках контакта с рабочими органами машин;
б) кинетика процесса подчиняется закону усталостного разрушения, когда постепенно вокруг микротрещин, дефектов и концентраторов напряжений возникают макроскопические разрушения, механического и биомеханического характера;
в) степень разрушения волокон зависит от технологических воздействий на хлопок, их величины и количества; поэтому основная доля прироста повреждений волокна приходится на очистку хлопка, джинирование и волокноочистку; причем при джинировании развивается наибольшая нагрузка, но кратность ее невелика, а в очистке нагрузки ниже, но повторяются многократно и это хорошо согласуется с теоретической моделью;
г) степень повреждения зависит и от состояния сырья, его влажности, сроков и условий его хранения, а также условий сушки, что напрямую влияет на материаловедческую характеристику хлопка — способность без разрушения выдерживать необходимое число циклов технологических нагружений.
Литература:
- Хаджинова М. А. Исследование свойств и структуры хлопкового волокна в процессе сушки. Ташкент: Фан, 1966.
- O’zDst 633–95. Волокно хлопковое. Методы определения длины.
- Муратов А., Гесос К. Ф., Шарапова Р. З. Сравнительное электронно- микроскопическое изучение надмолекулярной структуры волокна некоторых сортов хлопчатника //Цитология и генетика, 1983.
