Разработка технологии нетканых материалов с антимикробными свойствами

Во всех странах увеличивается объем производства нетканых текстильных материалов. В настоящее время в России также увеличиваются темпы роста выпуска нетканых материалов. Начиная с 1998 года и по 2004 год, объем выпуска нетканых материалов вырос почти в 5 раз и составил в 2004 году около 35 тыс. т или 230 млн. кв. м [1]. По прогнозам аналитиков общемировой объем выпуска нетканых материалов к 2010 году достигнет показателя в 6 млн. тонн.

Применение новых видов волокон, связующих, способов их скрепления, отделки расширяет ассортимент и области их применения. Производство нетканых материалов занимает самостоятельное положение среди отраслей текстильной промышленности, так как специфические свойства нетканых полотен позволяют широко использовать их не только в качестве полноценных заменителей некоторых текстильных материалов, но и создавать полотна с принципиально новыми эксплуатационными свойствами [2].

Ассортиментный анализ выпуска нетканых материалов за 2003;2004 гг. показывает, что на первом месте стоит выпуск нетканых материалов, используемых в качестве основы под полимерное покрытие: линолеум, столовая клеенка, мягкая кровля, обои и слоистые пластики, прокладочные полотна для швейной промышленности. На их долю приходится примерно 35,8%. Второе место занимает выпуск геотекстильных полотен: геотекстиль и агротекстиль. Затем идут нетканые полотна, используемые в качестве теплоизоляции: одежда, автомобильные, трубопроводы, промышленные здания и жилые дома, обувь и др. Их доля составляет 20%.

За рынком геотекстильных нетканых материалов следуют протирочные материалы. Доля их производства в Европе примерно составляет 15%. Основными видами протирочных нетканых материалов являются протирочные полотна для технических производств, для пищевой промышленности, для домашнего хозяйства, для личного пользования.

На долю остальных ассортиментных групп, таких как фильтровальные, протирочные, медицинские, сангигиенические и др. приходится менее 20% от общего объема выпуска. Следует отметить, что в России выпуск нетканых материалов для сангигиены и медицины незначителен, хотя за рубежом доля таких материалов составляет 60% от объема производства нетканых материалов.

В настоящее время большое внимание привлекает проблема создания нетканых материалов с антимикробными свойствами, т. е. устойчивых к биоповреждениям, способных задерживать развитие микроорганизмов или вызывать их гибель, и применения этих материалов для различных целей [3].

Антимикробные свойства придают путем обработки волокон, полотен, изделий различными препаратами, либо введением антимикробных препаратов в прядильный раствор или расплав при формовании волокон, а также путем взаимодействия бактерицидного или фунгицидного препарата с макромолекулами волокнообразующего полимера.

Известные в настоящее время препараты для придания волокнистым материалам антимикробных свойств зачастую или не позволяют достичь устойчивого антимикробного эффекта, сохраняющегося после длительных и многократных мокрых обработок и химических чисток, или достаточны дороги для широкого применения в производстве текстиля. Эффективные антимикробные препараты иностранного производства известны у нас только под торговыми марками и вся открытая информация о них носит только рекламный характер. Этим обусловлена необходимость создания новых препаратов и разработка модифицированных волокнистых материалов со специальными свойствами.

Общая характеристика работы.

Целью • работы является разработка новой технологии нетканых материалов с антимикробными свойствами.

Актуальность работы обусловлена необходимостью создания высокопроизводительных и малооперационных технологических процессов получения нетканых материалов с устойчивыми антимикробными свойствами с использованием новых, эффективных, нетоксичных, дешевых, из отечественного сырья крем-пийорганнчсских модификаторов и исследования их влияния па физикомеханические и функциональные свойства нетканых материалов.

Разработка новой технологии нетканых материалов с устойчивым антимикробным эффектом позволит увеличить экономическую эффективность применения нетканых материалов в медицине и других областях, требующих наличия у текстильных изделий бактериостатических, бактерицидных, фунгиста-тических и фунгицидных свойств.

Задачи исследований. Исходя из поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— проведение анализа состояния производства антимикробных текстильных материалов и химических соединений для их получения;

— проведение анализа существующих способов придания антимикробных свойств текстильным материалам и оценки их эффективности;

— разработка метода синтеза и синтез новых эффективных антимикробных кремнийорганических модификаторов для химических волокон;

— изучение физико-химических свойств синтезированных модификаторов и механизма их взаимодействия с полимерами волокон;

— обоснование выбора структуры, сырья, оборудования и технологических параметров производства нетканых материалов с антимикробными свойствами;

— разработка способа придания антимикробных свойств нетканым материалам на основе модифицированных новыми кремнийорганическими соединениями промышленных химических и натуральных волокон;

— разработка эффективной технологии нетканых материалов с антимикробными свойствами;

— оценка антимикробных свойств новых нетканых материалов;

— определение оптимальных технологических параметров получения антимикробных нетканых полотен;

— разработка метода расчета себестоимости новых антимикробных нетканых материалов.

Методика проведения исследований. В работе использовались стандартные и нестандартные методики для исследования физико-механических и антимикробных свойств волокон и готового нетканого материала.

Для оценки физико-химических свойств модификаторов использовались методы ИК-спектроскопии, дифференциального термического анализа.

При оптимизации технологических параметров получения нетканых материалов использовались современные методы математического планирования и анализа эксперимента.

Научная новизна работы:

— разработан метод синтеза и впервые синтезированы неописанные ранее крем-нийорганические модификаторы, придающие химическим и натуральным волокнам, а также текстильным нетканым материалам на их основе устойчивые антимикробные свойства;

— изучены физико-химические свойства синтезированных нами новых крем-нийорганических модификаторов и механизм их взаимодействия с полимерами волокон;

— разработан способ придания антимикробных, ароматных и антимольных свойств нетканым материалам на основе полиэфирных, полипропиленовых, нитроновых, вискозных и шерстяных волокон путем модификации их поверхности кремнийорганическими соединениями, впервые используемыми для этих целей;

— проведено методами регрессионного анализа исследование факторов, обуславливающих физико-механические и антимикробные свойства нетканых полотен. Получены полиноминальные уравнения зависимостей свойств нетканого материала от параметров производства;

— определены оптимальные условия получения холстопрошивиых антимикробных нетканых материалов из модифицированных новыми антимикробными кремнийорганическими соединениями химических волокон.

Практическая ценность работы. Разработана технология нетканых материалов с антимикробными свойствами. Полоню испытано и полупромышлепных условиях и рекомендовано для использования в производстве нательного белья, эксплуатируемого в экстремальных условиях, в которых затруднены мероприятия личной гигиены.

Использование разработанного антимикробного нетканого материала позволяет:

— расширить ассортимент нетканых материалов;

— улучшить качество холстопрошивных нетканых материалов, используемых в производстве нательного белья;

— повысить срок службы текстильных изделий;

— заменить дорогие антимикробные модификаторы волокон на более дешевые, из отечественного сырья;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• IX Международной выставке научно-технических проектов «ЭКСПО-Наука 2003 (ESI 2003), Москва, ВВЦ, июль 2003 г.;

• Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2003», М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, ноябрь 2003 г.;

• Международной научно-технической конференции «Новые разработки в области нетканых материалов и направления их коммерциализации», г. Серпухов, ОАО «НИИНМ», ноябрь 2003 г.;

• II Международной научно-технической конференции «Достижения текстильной химии в производство» («Текстильная химия-2004»), Иваново, сентябрь 2004 г.;

• III Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры 2004», М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, январь 2004 г.;

• Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2004», М.: МГТУ им. A.M. Косыгина, ноябрь 2004 г.;

• Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов ' «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (ПО-ИСК-2005), Иваново: ИГТА, апрель 2005;

• X Всероссийской конференции «Кремнийорганические соединения: синтез, свойства, применение», Москва, май 2005 г.;

• Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2005», М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, ноябрь 2005 г.

Публикации. Основное содержание результатов исследований изложено в следующих публикациях:

• Савинкин А. В., Горчакова В. М. Волокна и полотна, обладающие биоцид-ными свойствами. Иммобилизация пентахлорфенола к поверхности волокна // Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 7, М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003 г.- С. 18;

• Горчакова В. М., Измайлов Б. А., Баталенкова В. А., Савинкин А. В. Производство нетканых материалов из химических волокон, модифицированных кремнийорганическими соединениями // Международная научно-техническая «Новые разработки в области нетканых материалов и направления их коммерциализации», НИИНМ, г. Серпухов, 2003. Тезисы докладов.

• Горчакова В. М., Савинкин А. В., Уманец И. В., Измайлов Б. А. Исследование влияния кремнийорганических модификаторов на бактерицидные свойства нетканых материалов // «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль — 2003): тез. по итогам Всеросс. научно-технической конф., М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003 г.- С.59;

• Савинкин А. В., Измайлов Б. А., Горчакова В. М., Сюбаева В. Т., Бочкарев НЕ. Антимикробные волокна. Иммобилизация к поверхности волокон эфиров 4-гидроксибензойной кислоты // Тезисы докладов на III Всероссийской Кар-гииской конференции «Полимеры 2004», М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2004 г.-С. 142;

Савинкин А.В., Измайлов Б. А., Горчакова В. М. Антимикробный нетканый материал. Модифицирование поверхности волокон бензиловым эфиром 4-гидроксибензойной кислоты // Тезисы докладов на II Международной научно-технической конференции «Достижения текстильной химии в производство» («Текстильная химия-2004»), Иваново, 2004 г. — С.66- Савинкин А. В., Горчакова В. М., Измайлов Б. А. Холстопрошивной нетканый материал с антимикробными свойствами // Тезисы докладов на Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль — 2004», М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2004 г.;

Савинкин А.В., Измайлов Б. А., Горчакова В. М. Многослойный нетканый материал с бактериостатическими свойствами. Оценка биологической активности // Тезисы докладов на Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Г10ИСК-2005), Иваново: ИГТА, 2005 г.- Измайлов Б. А., Горчакова В. М., Курочкина Т. А., Баталенкова В. А., Савинкин А. В. Текстильные материалы с устойчивым ароматом. Иммобилизация к поверхности волокон душистых органических соединений// Тезисы докладов на X Всероссийской конференции «Кремнийорганические соединения: синтез, свойства, применение», М.: 2005 г.;

Измайлов Б.А., Горчакова В. М., Курочкина Т. А., Баталенкова В. А., Савинкин А. В., Сюбаева В. Т., Бочкарев Н. Е. Модификаторы текстильных материалов — полиэтоксисилоксаны, содержащие фармакофорные органооксиси-лильные лиганды, и способ их получения. Патент № 2 263 115. Приор, от 19.03.2004 г.;

Измайлов Б.А., Горчакова В. М., Савинкин А. В. Способ защиты шерсти, шелка, волоса, перьев, кожи от кератофагов. Патент № 2 258 778. Приор, от 19.03.2004 г.;

Горчакова В.М., Измайлов Б. А., Курочкина Т. А., Баталенкова В. А., Савинкин А. В. Способ получения нетканых текстильных материалов, обладающих повышенной прочностью, устойчивым ароматным запахом н аптпмикробными свойствами, с помощью полиэтоксисилоксанов, содержащих фарма-кофорные органооксисилильиые лиганды. Решение о выдаче патента на изобретение. Заявка № 2 004 108 037/04(8 700) от 19.03.2004 г.

• Савинкин А. В., Горчакова В. М., Измайлов Б. А., Осокина О. А. Создание полифункциональных антимикробных нетканых материалов. Методы оценки их свойств // Сборник научных трудов. Актуальные проблемы технологии нетканых текстильных материалов. М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2005 г.

• Горчакова В. М., Савинкин А. В., Осокина О. А., Демченко С. А. Разработка технологии нетканых материалов с антимикробными и ароматическими свойствами // «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль — 2005): тез. по итогам Всеросс. научно-технической конф., М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2005 г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработана новая технология нетканых материалов с антимикробными свойствами из химических волокон.

2. Разработан метод синтеза и впервые синтезированы новые, эффективные, дешевые, из отечественного сырья антимикробные кремнийорганические модификаторы текстильных волокон — олигоэтоксисилоксановые производные сложных эфиров оксибензойных кислот и пентахлорфенола.

3. Разработан эффективный способ модификации волокон для нетканого материала с антимикробными свойствами.

4. Изучен механизм взаимодействия антимикробного кремнийорганического модификатора с полимерами текстильных волокон.

5. Научно обоснован состав сырья, оборудования и технологической цепочки для получения двухслойного холстопрошивного нетканого материала с антимикробными свойствами, предназначенного для изготовления нательного белья.

6. Определены оптимальные технологические параметры получения двухслойного холстопрошивного нетканого материала с антимикробными свойствами из модифицированных волокон:

— для нетканого материала с гидрофобным слоем из полиэфирных волокон:

• Модификатор волокон — смесь олигоэтокси (4-метилкарбокси-фенилокси) силоксана (олигомер II) с олигоэтокси (4-пропилкарбокси-фенилокси)силоксаном (олигомер IV) в соотношении 4:1;

• Содержание модификаторов на волокне, % (масс.) — 6,5;

• Температура обработки волокон — 130 °C;

• Время обработки волокон, мин — 10.

Получен нетканый материал со следующими параметрами:

• Ширина, см — 155+4;

• Поверхностная плотность, г/м — 170±8;

• Разрывная нагрузка, Н, по длине — 250- по ширине — 230;

• Водопоглощение, % - 525;

1 Л.

• Воздухопроницаемость, дм /м с — 909;

• Фунгицидная активность, баллов — 3;

• Устойчивость к микробиологическому разрушению, П, % - 83.

— для нетканого материала с гидрофобным слоем из полипропиленовых волокон:

• Модификатор волокон — олигоэтокси (4-пропилкарбоксифенилокси)-силоксан (олигомер IV);

• Содержание модификатора на волокне, % (масс.) — 10,0;

• Температура обработки волокон — 115 °C;

• Время обработки волокон, мин — 10.

Получен нетканый материал со следующими параметрами:

• Ширина, см — 155+4;

• Поверхностная плотность, г/м2 — 170±8;

• Разрывная нагрузка, Н, по длине — 240- по ширине — 220;

• Водопоглощение, % - 455;

3 2.

• Воздухопроницаемость, дм /м с — 650;

• Фунгицидная активность, баллов — 3;

• Устойчивость к микробиологическому разрушению, П, % — 87.

7. Разработаны и утверждены технические условия ТУ-8391−002−2 066 475−05 «Полотно холстопрошивное влагопоглощающее с антимикробными свойствами».

8. Разработана модель и программа для расчета на ЭВМ себестоимости 1000 м антимикробного нетканого двухслойного холстопрошивного материала, позволяющая установить влияние обработки нетканого материала антимикробным органосилоксановым модификатором на издержки производства. Установлено, что затраты на сырье для двухслойного холстопрошивного материала с антимикробными свойствами на 3% выше по сравнению с затратами на сырье для обычного двухслойного холстопрошивного материала.

9. Получены патенты РФ № 2 263 115, № 2 258 778 и положительное решение о выдаче патента на изобретение, заявка № 2 004 108 037/04(8 700) от 19.03.2004 г. (прил. 6, 7, 8).