Автореферат: Разработка технологии производства гигроскопичного материала медицинского назначения

Механическая обработка льняного сырья на этой линии обеспечивает достаточно высокий выход волокна, высокую степень его декортикации при высокой производительности и минимальных затратах энергии (табл.1).

Таблица 1 - Показатели льняного волокна и характеристики оборудования линии котонизации

Приготовление волокна велось на Вяземском льнокомбинате, где установлена одна из линий ЦНИИЛКА.

В четвертой главе исследован химический состав, физико-химические свойства лубяных волокон, поскольку для получения высоко гигроскопичных материалов медицинского назначения они являются определяющими в отличие от других текстильных материалов, где имеет значение длина, тонина, прочность волокон.

Для выявления факторов, определяющих гигроскопичность лубяных волокон, проведены ИК-спектроскопические, рентгенографические, потенциометрические и люминесцентные исследования.

На рис.1, 2 представлены спектры многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) и ИК-спектры поглощения ряда образцов лубяных волокон. ИК-спектры нативных лубяных волокон имеют характеристический набор полос, соответствующих нецеллюлозным компонентам. Наличие в ИК-спектрах лубяных волокон набора полос в области 500-1800 см^-1 связано с присутствием полимеров различной природы.

, см^-1

Рис.1. ИК-спектры МНПВО стланцевого волокна: 1 - котонин льняной суровый из короткого льноволокна; 2 - льняное волокно длинное чесанное суровое.

Сравнение ИК-спектров (прибор IFS-113v) МНПВО (рис.1) и ИК-спектров поглощения (рис.2) свидетельствует, что спектры лубяных волокон по набору полос и соотношению их интенсивностей являются характерными для спектров нативной целлюлозы (модификация Ц1).

При этом спектры имеют идентичный характер, различия между ними незначительны и касаются в основном интенсивности полос в области 1450-1800 см^-1.

Отличия в интенсивности полос в этой области обусловлены разным содержанием нецеллюлозных компонентов в лубяных волокнах.

Т ,см^-1

,см^-1 ,см^-1

Рис.2а,б,в. ИК-спектры поглощения образцов лубяных волокон (стланец): 1 - длинное волокно; 2 - котонин из короткого льноволокна; 3 - котонин из пеньки. Спектры сняты на приборе IFS-113v.

Относительное содержание лигнина, оцененное по интегральной интенсивности полосы при 1510 см^-1 (рис.2) изменялось в ряду: пенька короткое льноволокно длинное льняное волокно. Относительное содержание пектина, оцененное по интегральной интенсивности полосы при 1740 см^-1, обусловленной поглощением v(C=O) сложноэфирной группы изменялось в ряду: пенькадлинный ленкороткий лен (рис.2).

Оценка индекса упорядоченности целлюлозы, рассчитанного по соотношению интенсивности полос поглощения D₁₄₃₀/D₉₀₀ показала, что по степени кристалличности целлюлозы лубяных волокон последние можно расположить в следующем порядке: пенька длинный лен короткий лен.

Влияние химических обработок на состав и свойства лубяных волокон отражают результаты спектрофотометрических исследований (рис.3а,б). Первый режим обработки волокнистого материала заключался в использовании варочного раствора, содержащего щелочь - 17 г/л, сульфит натрия - 3,5 г/л и триполифосфат - 1,5 г/л, при температуре обработки 120⁰С. Для беления отваренного льняного волокна применялись кислотные растворы гипохлорита натрия.

По второму режиму обработки льняное сырье обрабатывали надуксусной кислотой с последующей окислительной варкой.

В спектрах льняных волокон, обработанных по 1-ому и 2-ому режимам (рис.3а,б), видно, что по мере удаления нецеллюлозных примесей уменьшается количество и интенсивность полос в области 1450-1800 см^-1.

Сравнение спектров пропускания (рис.3) позволяет сделать вывод о большей эффективности обработки льняного волокна надуксусной кислотой.

Качественная картина ИК-спектров согласуется с экспериментальными данными, приведенными ниже. Так содержание в % -целлюлозы, лигнина, пектина восков и жиров в льняной целлюлозы, полученной по 1-ому режиму составляет соответственно 85,5; 1,9; 0,3; 0,5, а по 2-ому режиму - 88,7; 1,6; 0,5; 0,4. При этом поглощение образцами льняной целлюлозой воды, полученной по 1-ому и 2-ому режимам соответственно равны 21 г/г и 22 г/г, что значительно больше, чем поглощение воды суровым коротким волокном 9,3 г/г.

а) , см^-1 б) , см^-1

Рис.3а,б. ИК-спектры пропускания короткого льняного волокна, обработанного по 1- ому (а) и 2-ому режимам (б). Спектры сняты на приборе IR Prestige-21.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что по мере удаления нецеллюлозных компонентов из льняного волокна возрастает его водопоглощение. При этом поглощение воды несколько больше при обработке волокна по второму режиму.

Рентгенографический анализ короткого льняного волокна, обработанного по первому и второму режимам, свидетельствует о том, что степень кристалличности обоих образцов близка между собой и составляет 69 и 71, соответственно.

Проведенные исследования природы гигроскопичности целлюлозы лубяных волокон с помощью инфракрасной Фурье-спектроскопии (рис.4) показали, что гигроскопичность является функцией степени делигнификации (рис.5) в сочетании со степенью упорядоченности структуры целлюлозы: высокая степень кристалличности целлюлозы и большое количество лигнина значительно ухудшают гигроскопичность материала. Высоко гигроскопичный материал представляет собой практически чистую целлюлозу с низким показателем степени упорядоченности (малая степень кристалличности).

Волокна льна, находящиеся в нижней части стебля (ближе к корням), имея другую форму и структуру, имеют и менее упорядоченную, более аморфную целлюлозу, в то время как волокно срединной части, которого больше всего в чесаных материалах, имеет высоко кристаллическую упорядоченную целлюлозу и поэтому обладает меньшей гигроскопичностью.

Таким образом, для лубяных волокон наблюдается общая закономерность, а именно: чем в большей степени волокно очищено от нецеллюлозных примесей и выше степень его аморфности, тем больше поглотительная способность и скорость смачивания.

Для определения влияния поверхностных ионогенных групп лубяного материала на его гидрофильность методом статического потенциометрического титрования исследована адсорбция ионов Н⁺ и ОН^- (dГ) в области рН 3,5 - 10,5.

Анализ экспериментальных данных показал, что все образцы имеют достаточно малое содержание ионогенных групп с низкой ионообменной способностью. При этом для изученных образцов значения точки нулевого заряда (ТНЗ) лежат в широких пределах рН 5,6-9,8(10,5), что связано с присутствием функциональных групп примесей или дефектов, концентрация которых в целом невелика.

Рис.4. ИК-спектры льняных волокон: 1-суровое волокно; 2-обработанное надуксусной кислотой; 3-щелочная и кислотная обработка; 4- хлоритно-окислительная обработка. Спектры сняты на приборе IFS-113v.

Рис.5. Изменение оптической плотности по данным ИК-спектроскопии льняного образца с разным содержанием лигнина. Спектры сняты на приборе IFS-113v.

Сравнительный анализ исследованных образцов показал, что гидрофобный образец имеет ТНЗ при рН=8, тогда как для гидрофильных образцов, в исследованном диапазоне рН, характерно наличие только положительно заряженных адсорбционных центров, что свидетельствует о высокой чистоте их поверхности. Полагая, что “гидрофобные” примеси содержат ионогенные группы, диссоциирующие в щелочной области рН, проведена оценка гидрофильно-гидрофобных свойств льняных волокон по содержанию таких групп, определенных методом потенциометрического титрования.

Полученные экспериментальные данные по поглотительной способности и ТНЗ демонстрируют принципиальные отличия гидрофобной ваты (Wp=15,2; TH3=8,0) от ват с более высокой поглотительной способностью (Wp=5,2; TH3=6,0), а также возможность использования параметра dГ при значении рН=10,5 в качестве критерия для оценки поглотительной способности волокна.

Смещение ТНЗ в слабокислую область (рН=5,9) у гидрофильного образца позволяет делать практические рекомендации, касающиеся концентрационных параметров щелочной и кислотной обработок волокна.

Экспериментально установлено, что целлюлозные волокна с различной поглотительной способностью после взаимодействия с водой по-разному изменяют интенсивность своей флуоресценции при условиях возбуждения длиной волны 310 нм и регистрации излучения образца при длине волны 400 нм.

Поглотительную способность образцов оценивали по параметру Wp (Water Permeability - разница в весе мокрого и сухого образца) и изменениям интенсивности флуоресценции этих образцов до и после их смачивания водой I (400нм/310нм)dry/wet. В результате математической обработки экспериментальных данных получено уравнение, связывающее оптический параметр с величиной водопоглощения: У= 9,31Х-7,86, где: У - поглотительная способность; Х - оптический параметр.

Льняное волокно, обладая высокими гигроскопическими и одновременно бактерицидными свойствами, склонно к фибриллированию. Благодаря этому свойству из химически обработанного модифицированного льняного волокна, используя, например, гидродинамическое скрепление, получали хорошо скрепленный материал - салфетки, прокладки и т.д. Для лучшего соединения волокон ваты иногда использовали смеси льняного и хлопкового волокна.

Пятая глава посвящена разработке способов получения гигроскопичных материалов из лубяных волокон.

Из рис.6. видно, что имеет место тенденция увеличения поглотительной способности волокна с увеличением степени его очистки, условно оцениваемой по потере массы. Исходя из этого, хороший результат получен с использованием варочного раствора, содержащего щелочь - 17 г/л, сульфит натрия - 3,5 г/л и триполифосфат - 1,5 г/л, при температуре обработки 120⁰С. Сульфит натрия введен в состав для предотвращения поликонденсации лигнина во время варки.

Перед белением отваренное льняное волокно подвергали обработке раствором серной кислоты (1 - 6 г/л) и после его слива, минуя стадию промывки, подавали раствор гипохлорита натрия. Такой прием позволил сократить продолжительность беления в два раза и получить продукт, соответствующий по белизне (72-75%) хирургической вате, и имеющий водопоглощение - более 20 г/г, капиллярность - выше 75 мм, что превышает требования ГОСТа 5556 - 81.

После химической котонизации лубяного сырья содержание целлюлозы увеличивается более чем на 20%, углеводов нецеллюлозного характера уменьшается почти вдвое, а лигнина - в шесть раз. При этом степень полимеризации целлюлозы остается на достаточно высоком уровне. Медико-биологические испытания образцов льняной ваты промышленного производства показали, что она обладает повышенной фильтрующей способностью, не сорбирует микрофлору и не темнеет при стерилизации.