Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

На правах рукописи
Самылин Артём Сергеевич
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕТКАНОГО
МАТЕРИАЛА ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ТАФТИНГОВЫХ
КОВРОВ И ОПТИМИЗАЦИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.19.02 - Технология и первичная обработка
текстильных материалов и сырья
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2010 ГОД
Диссертация выполнена на кафедре технологии кожевенного,
мехового и обувного производств в Государственном образовательном
учреждении
высшего
профессионального
образования
«СанктПетербургский государственный университет технологии и дизайна»
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Просвирницын Александр Викторович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Челышев Анатолий Михайлович
кандидат технических наук, доцент
Архалова Валентина Вениаминовна
Ведущая организация:
ООО «Дюна Тафт», г. Калининград
Защита состоится « 28 » декабря 2010 года в 16:00 часов на
заседании диссертационного совета Д 212.236.01 при ГОУ ВПО «СанктПетербургский государственный университет технологии и дизайна» по
адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д.18, ауд.241.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СанктПетербургского государственного университета технологии и дизайна по
адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д.18.
Автореферат размещён на сайте www.sutd.ru.
Автореферат разослан « 19 » ноября 2010 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета,
А.Е. Рудин
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из основных направлений развития
современной промышленности является разработка и внедрение новых
экономически эффективных ресурсосберегающих технологий, которые
предусматривают активное вовлечение в производственный процесс ранее
не перерабатывавшихся промышленных отходов.
В условиях повышения значения энергоэффективности и
энергосбережения, в строительной отрасли особый интерес проявляется к
теплоизоляционным материалам и изделиям которые кроме изоляционных,
должны обладать комплексом эксплуатационных и стоимостных
показателей,
что
непосредственно
сказывается
на
их
конкурентоспособности в рыночных условиях.
В связи с этим актуальным направлением является разработка
технологий получения новых нетканых материалов на основе текстильных
отходов производства тафтинговых напольных покрытий, пригодных в
строительстве и позволяющих вовлечь в производственный процесс ранее
неперерабатываемые материалы, что имеет большое техникоэкономическое и природоохранное значение.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка
технологии получения нетканого волокнистого материала из ранее
неперерабатываемых текстильных отходов производства тафтинговых
напольных покрытий, для широкого применения в строительстве.
В соответствии с поставленной задачей решались следующие
вопросы:
 изучение опыта переработки отходов производства тафтинговых
напольных покрытий;
 выбор оптимальных технологических параметров получения
волокнистого плитного материала из отходов производства тафтинговых
напольных покрытий;
 оценка свойств волокон плитного материала, полученных в
результате разволокнения текстильных отходов производства тафтинговых
напольных покрытий;
 исследование влияния технологических режимов размола на
качество волокнистой массы;
 исследование влияния процесса обезвоживания волокнистой массы
на формирование полотна и выбор технологических режимов
холстоформирования;
 исследование влияния технологических режимов термопрессования
на физико-механические свойства волокнистого плитного материала;
 исследование физико-механических и теплофизических свойств
образцов волокнистого плитного материала полученного из отходов
производства тафтинговых напольных покрытий;
3
 разработка технологической линии производства нетканого
материала из отходов производства тафтинговых напольных покрытий и
рекомендации по применяемому производственному оборудованию.
Методы
и
средства
исследования.
Работа
содержит
экспериментальные и теоретические исследования, проводившиеся с
целью разработки эффективной технологии получения нового нетканого
материала из текстильных отходов производства тафтинговых напольных
покрытий.
При проведении работы использовались современные методы
исследования геометрических, физических и физико-механических
свойств волокнистых материалов. Среднестатистическая погрешность
измерений в стандартных условиях не превышала 5-7 %.
Постановка и проведение экспериментов осуществлялось с помощью
математических методов планирования, современных электронноизмерительных приборов. Обработка экспериментальных данных
производилась с использованием современных компьютерных программ.
Научная новизна. В процессе работы над диссертацией были получены
следующие результаты:
 научно обоснована возможность применения текстильных отходов
производства тафтинговых напольных покрытий в изготовлении
волокнистых плитных материалов;
 выявлена зависимость физико-механических и теплофизических
свойств полученных нетканых материалов от температуры их
формирования;
 разработаны научно обоснованные технологические параметры
обеспечивающие
стабильность
технологического
процесса
производства волокнистого плитного материала из текстильных отходов
производства тафтинговых напольных покрытий.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
 разработана
ресурсосберегающая
технология
переработки
текстильных отходов производства тафтинговых напольных покрытий на
оборудовании, применяемом для производства древесноволокнистых плит
и нетканых материалов;
 результаты работы приняты к перспективному внедрению на ООО
«Дюна Тафт»;
 на разработанные волокнистые материалы получен патент на
полезную модель РФ № 97960.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на
следующих конференциях:
4
 всероссийская
научно-техническая конференция студентов и
аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в
текстильной, лёгкой и полиграфических отраслях промышленности» «Дни
науки-2008», Санкт-Петербург, 2008;
 4-ая международная научно-практическая конференция студентов и
молодых учёных «Новые технологии и материалы в лёгкой
промышленности», КГТУ, Казань, 2008.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано
5 печатных работ, из них 1 в издании, рекомендованном «Перечнем ВАК
РФ», 1 патент, список которых приведен в конце реферата.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырёх глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на
149 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 18 таблиц,
список используемой литературы включает 127 наименований, 1
приложение представлено на 2 страницах.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулирована цель и задачи исследований, научная и практическая
значимость результатов работы.
В первой главе проведён анализ научно-технической литературы, в
которой
рассматривается
актуальность
проблемы
переработки
текстильных отходов вообще и отходов производства тафтинговых
напольных покрытий в частности. Было выяснено, что наибольший
интерес данная проблема вызывает в США.
Рассмотрены различные способы подготовки и переработки
текстильных отходов производства тафтинговых напольных покрытий,
включая получение однородных тафтинговых ковров, технологию
разделения ковров на монополимерные компоненты, технологию
получения гранулята для последующего формования изделий из расплава
полимера, а также применение измельчённых отходов в бетонных и
грунтовых смесях.
Однако все существующие технологии полностью так и не решают
проблему переработки данного вида отходов, а также позволяют получить
сырьё для последующего производства, а не готовый материал.
Рассмотрена возможность использования технологии получения
древесноволокнистых плит для производства волокнистого плиточного
материала из перерабатываемых отходов.
На основании проведенного обзора литературы сформулированы
основные задачи диссертационной работы.
5
Вторая глава содержит описание последовательности основных
технологических операций в предложенной технологии получения
плитного волокнистого материала из текстильных отходов производства
тафтинговых напольных покрытий. Даны характеристики основных
видов плит: твёрдые и мягкие.
Дано описание процесса измельчения перерабатываемых
текстильных отходов, установлена зависимость степени измельчения от
времени помола, в соответствии с которой, размол целесообразно
производить в два этапа: первый, без нагрузки в течение 10 минут и
второй, с нагружением в течение 20 минут. Определён процент
неразмолотых волокон, который составляет примерно 0,7 % от общего
объёма волокон в водной суспензии.
Рассмотрена проблема флокуляции волокон в суспензии, которая
препятствует нормальному формированию волокнистого холста, а
также представлены пути решения данной проблемы в предлагаемой
технологии.
Описан процесс формирования волокнистого холста на
формовочных сетках отливных машин. При наливе волокнистой массы
на сетку должно обеспечиваться хорошее перемешивание и равномерное
распределение без сгустков волокнистой массы по всей ширине сетки, что
устраняет разнотолщинность волокнистого холста и позволяет получить
ровную поверхность волокнистого полотна.
Представлено описание такого важного технологического этапа
получения волокнистого плитного материала, как термопрессование.
Отмечено, что в результате удаления воды при повышенной температуре и
высоком давлении в волокнистой структуре образуются межмолекулярные
связи – склейки синтетических волокон, которые начинают плавиться под
действием повышенной температуры.
При высокой температуре и давлении во время прессования
волокнистое полотно превращается из влажного волокнистого холста в
твёрдую волокнистую плиту. При этом представлены и обоснованы
технологические параметры термопрессования: температура, давление,
время прессования.
Приведены
рекомендации
и
описание
применяемых
промышленных машин. Предложенное к применению технологическое
оборудование широко применяется в текстильной промышленности и
производстве древесноволокнистых плит.
На первой стадии измельчения текстильных отходов могут
применяться рубочные машины, которые предназначены для резки
различных отходов текстильного и швейного производства, а также
изношенной одежды на куски соответствующего размера, пригодные для
дальнейшей переработки на специальных волчках и агрегатах. Например,
рубочная машина AC39A фирмы BEFAMA (Польша).
6
На втором этапе измельчение текстильных отходов осуществляется
на перемалывающем оборудовании бумагоделательного производства,
например, механический измельчительный ролл РМ-8, позволяющий
превращать предварительно измельчённые кусочки тафтинговых отходов в
равномерную волокнистую массу. В ролл, работающий периодически,
заливается необходимый объём воды и загружается достаточное
количество отходов для того, чтобы концентрация отходов в воде
составила 5%, что обеспечивает равномерное распределение волокон по
всему объёму и способствует более равномерной отливке волокнистых
плит
на
следующем
технологическом
этапе
производства.
Производительность этих машин составляет порядка 160 кг/ч.
После процесса перемалывания текстильных отходов производства
тафтинговых напольных покрытий получаемая волокнистая масса
поступает в композиционный бассейн для последующего формирования
волокнистого холста в отливочной машине.
Композиционный бассейн служит для хранения волокнистой массы,
поступающей из ролла. В случае останова ролла, он может обеспечить
непрерывную работу отливочной машины и пресса. Для устранения
застойных зон композиционный бассейн снабжён мешалкой.
Мешалка обеспечивает непрерывное движение и перемешивание
волокнистой массы, равномерное распределение массы по всему объёму
бассейна. Кроме того, создаваемое мешалкой непрерывное движение
волокон в суспензии позволяет снизить вероятность возникновения
флокуляции волокон.
Для прессования волокнистых плит, которое следует за
формированием волокнистого холста из суспензии волокон в воде, с
постоянной концентрацией 1 %, можно использовать оборудование
отечественного производителя: ЗАО «Нелидовский завод гидравлических
прессов», например, модель пресса: ДА4436А. При этом давление
прессования, для получения качественного плитного материала, должно
составлять 1,4 МПа, а температура прессования 180 С.
Третья глава посвящена обоснованию выбора технологических
параметров производства и исследованию физико-механических и
теплофизических свойств, полученных опытных образцов волокнистого
плитного материала из текстильных отходов производства тафтинговых
напольных покрытий.
Все характеристики полученного нового волокнистого плитного
материала определялись в соответствии с ГОСТ 19592-80: физикомеханические показатели на универсальном испытательном комплексе
INSTRON 1122, а теплофизические на измерителе теплопроводности
«ИТС-1» в сертифицированной лаборатории компании AEROC.
В работе приводятся результаты экспериментов для волокнистых
плит, полученных при температурах формования в диапазоне от 130-180
C, с шагом 10 C.
7
В результате исследований, были определены основные
геометрические показатели нетканого материала, которые подтвердили,
что полученный материал аналогичен древесноволокнистым плитам,
взятым за основу. Так получилось, что в среднем, волокнистый плиточный
материал имеет толщину около 6 мм и объёмную плотность порядка 550750 кг/м3.
Выявлена зависимость влажности, водопоглощения и разбухания
по толщине плитного материала в зависимости от температуры
формования, которые представлены на рисунках 1, 2 и 3.
Анализ показал, что с увеличением температуры формования
волокнистых плит влажность, водопоглощение и разбухание по толщине
снижаются. Это объясняется тем, что с повышением температуры
формования плит из отходов производства тафтинговых напольных
покрытий с полимерами, образующими волокна материала, происходят
структурные изменения, т.е. подплавление волокон. К ним относятся, как
правило, полипропилен и полиэфир. Это приводит к тому, что с
повышением температуры формования количество пор в волокнистой
плите уменьшается, что, в свою очередь, сказывается на количестве
поглощаемой из окружающей среды влаги.
Рисунок 1 - Влияние температуры формования волокнистых плит на их
влажность при нормальных условиях
8
а
б
Рисунок 2 - Влияние температуры формования волокнистых плит на их
водопоглощение при выдержке образцов в воде в течение 2-х (а) и 24-х
часов (б)
9
а
б
Рисунок 3 - Влияние температуры формования волокнистых плит на
разбухание по толщине при выдержке образцов в воде в течение 2-х (а) и
24-х (б) часов
При водопоглощении и разбухании влага проникает, главным
образом, через пласти плиты; через кромки увлажнение осуществляется
лишь на очень малой зоне по периметру образца плиты.
10
Для оценки прочности полученных текстильных волокнистых плит
был определён предел прочности волокнистых плит при изгибе, значения
которого представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения пределов прочности при изгибе полученных
волокнистых плит
Температура формирования плиты, C
Предел прочности при изгибе, МПа
130
1,7
140
1,7
150
1,9
160
1,9
170
3,2
180
10,7
Теплозащитные свойства полотен зависят от их теплопроводности:
способности нетканых волокнистых плит проводить тепло от более
нагретой среды, к более холодной. Одной из основных характеристик
теплопроводности является коэффициент теплопроводности.
На теплопроводность волокнистых плит существенное влияние
оказывает текстильная структура, её влажность, действующие на неё
усилия (при сдавливающих усилиях волокнистые плиты уплотняются) и
т.д. В результате проведённых испытаний, была построена диаграмма,
представленная на рисунке 4, которая демонстрирует зависимость
теплоизоляционных свойств от температуры формования волокнистой
плиты.
Рисунок 4 - Влияние температуры формования волокнистых плит на их
теплопроводность
11
Как показали исследования, температура формования влияет на
значения коэффициента теплопроводности. Наибольшие значения
теплопроводности имеют материалы, полученные при температуре
формования равной 150 и 160 C соответственно. Это связано с тем, что
волокнистые плиты, полученные при более низких значениях температуры
формования, обладают более высокой влажностью. Как известно, чем
выше влажность материала, тем хуже его теплоизоляционные свойства.
Вместе с тем, при температуре в 180 C происходит активное
расплавление волокон, что приводит к снижению количества воздушных
пор, из-за чего происходит ухудшение теплоизоляционных показателей
полученного материала.
Четвёртая глава содержит постановку задачи моделирования процесса
прессования волокнистых плит. Для установления влияния таких
факторов, как температура прессования и объёмная плотность, на процесс
прессования и качество волокнистых плит, были использованы методы
математического планирования эксперимента.
В результате проведённого двухфакторного эксперимента,
установлены характер и степень влияния на влажность готовой
волокнистой плиты (У1), водопоглощение готовой волокнистой плиты за 2
и 24 часа (У2, У3), разбухание по толщине готовой волокнистой плиты за 2
и 24 часа (У4, У5), относительное разрывное удлинение (У6), разрывная
нагрузка (У7), предел прочности при изгибе (У8), коэффициент
теплопроводности (У9) волокнистых плит изменения температуры
прессования (Х1), а также их объёмной плотности (Х2), в виде следующих
регрессионных уравнений:
Y1=1,36-0,65х1+0,45х2-0,15х1х2
Y2=37,94-57,65х1+6,55х2-5,15х1х2
Y3=63,72-89,9х1+6х2-2,2х1х2
Y4=7,18-13,2х1+0,7х2-0,4х1х2
Y5=8-13,55х1+0,45х2-0,15х1х2
Y6=4,42+6,2х1+0,9х2+1,2х1х2
Y7=545,12+916,3х1+416,7х2+345,4х1х2
Y8=4,18+6,9х1+2,5х2+2,1х1х2
Y9=0,0634-0,0025х1+0,0095х2+0,0015х1х2
Эксперимент показал, что на все исследуемые показатели
волокнистых плит большее, по сравнению с поверхностной плотностью,
влияние оказывает температура прессования, т.е. этот показатель является
более значимым при выборе оптимальных режимов производства
волокнистых плит из текстильных отходов производства тафтинговых
напольных покрытий. Эффекты от трёх взаимодействий второго порядка
незначимы.
12
С учётом полученных данных, проведённого анализа и, в соответствии
с существующими стандартами, полученный плитный материал
сравнивается с древесноволокнистыми плитами, применяемыми в качестве
отделочных или конструкционных материалов.
В таблице 2, для сравнения с твёрдыми и мягкими
древесноволокнистыми плитами, представлены значения физикомеханических и теплофизических показателей полученных волокнистых
плит.
Таблица 2 – Сравнение физико-механических показателей полученных
волокнистых плит и древесноволокнистых плит
Данные по плитам,
полученным при Тф=180
Показатели
Плотность, кг/м3
Предел прочности
при изгибе, МПа
Разбухание по
толщине за 24 ч, %
Влажность, %
Водопоглощение
за 2 ч, %
Водопоглощение
за 24 ч, %
С
Нормы для
Нормы для
твёрдых плит
мягких плит
Толщина 8...16
Толщина 6 мм
Толщина 2,5...6 мм
650
600…1100
100…400
10,7
15…47
0,4…1,8
1,9
10…30
1,0
3…10
12
7,9
Не нормируется
34
19,9
7…13
0,06
Не нормируется
мм
Не
нормируется
Не
нормируется
Коэффициент
теплопроводности,
0,05…0,09
Вт/(мК)
Из представленной таблицы видно, что по плотности, полученные
волокнистые плиты скорее можно отнести к классу твёрдых плит. По
пределу прочности при изгибе они ближе к мягким плитам, а по
разбуханию по толщине за 24 часа полученный волокнистый плитный
материал намного превосходит твёрдые древесноволокнистые плиты. Все
остальные показатели полученных волокнистых плит отличаются от
показателей стандартных плит. Это говорит о том, что нами был получен
13
новый нетканый волокнистый материал из текстильных отходов
производства тафтинговых напольных покрытий обладающий новыми
свойствами.
Основные результаты и выводы.
1 Получен новый плитный материал, отвечающий предъявляемым к
нему требованиям.
2 Разработана технология получения нового нетканого волокнистого
материала для строительства.
3 Произведена оценка свойств волокон текстильных отходов, и определено
влияние степени измельчения текстильных отходов на качество готовых
волокнистых плит.
4 Выявлена зависимость физико-механических и теплофизических
свойств нетканого материала от температуры формирования полотна.
5 В результате проведённого двухфакторного эксперимента, установлены
характер и степень влияния на влажность готовой волокнистой плиты,
водопоглощение готовой волокнистой плиты за 2 и 24 часа, разбухание по
толщине готовой волокнистой плиты за 2 и 24 часа, относительное
разрывное удлинение, разрывная нагрузка, предел прочности при изгибе,
коэффициент
теплопроводности
волокнистых
плит
изменения
температуры прессования, а также их объёмной плотности.
6 Экспериментально и научно обоснованно определены технологические
параметры. Предложена технологическая линия для производства нового
нетканого материала из текстильных отходов производства тафтинговых
напольных покрытий.
7 В результате проведённой работы получен патент на полезную модель
РФ № 97960. Результаты работы приняты к перспективному внедрению в
ООО «Дюна Тафт», г. Калининград.
Основные результаты диссертационного исследования отражены в
следующих публикациях:
Статьи в журналах, входящих в «Перечень ВАК РФ»:
1 Самылин А.С., Просвирницын А.В., Смирнов Г.П. Разработка и
оптимизация технологии прессования текстильных волокнистых плит из
волокнистых отходов, образующихся в результате производства
тафтинговых напольных покрытий [Текст] / Самылин А.С., Просвирницын
А.В., Смирнов Г.П. // Дизайн. Материалы. Технология, 2009, № 4, с.37-40.
Другие публикации:
2 Самылин А.С., Просвирницын А.В. Технология получения волокнистых
плит из отходов производства тафтинговых напольных покрытий [Текст] //
Всероссийская научно-техническая конференция, Санкт-Петербург, 2008,
с.213-217.
14
3 Самылин А.С., Просвирницын А.В. Переработка отходов производства
тафтинговых напольных покрытий [Текст] / Самылин А.С., Просвирницын
А.В. // В мире оборудования, 2008, № 2, с.19-21.
4 Самылин А.С., Просвирницын А.В. Возможные способы использования
отходов производства тафтинговых напольных покрытий [Текст] // 4-ая
международная научно-практическая конференция студентов и молодых
учёных «Новые технологии и материалы в лёгкой промышленности». –
Казань, 2008, с. 168-174.
5 Самылин А.С., Просвирницын А.В., Смирнов Г.П. Оценка влияния
технологических параметров производства текстильных волокнистых плит
на их физико-механические характеристики [Текст] / Самылин А.С.,
Просвирницын А.В., Смирнов Г.П. // Технология лёгкой промышленности,
2009, № 4, с.27-29.
6 Пат. 97960 Российская Федерация : МПК8 B27N3/04 Плитный материал
[Текст] / Самылин А.С., Просвирницын А.В., Смирнов Г.П. ; заявитель и
патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный
университет технологии и дизайна". - № 2010112517/21 ; заявл. 31.03.2010
; опубл. 27.09.2010, Бюл. № 27. – 1 с. : ил.
15