Оптимизация режимов низкотемпературной плазменной обработки высокомодульных полиэтиленовых волокон

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ,

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 677.494:621.793

Е. А. Сергеева, И. А. Гришанова, Л. Н. Абуталипова,

С. В. Илюшина

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОМОДУЛЬНЫХ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ВОЛОКОН

Ключевые слова: волокна, модификация, плазма, разряд, капиллярность, оптимизация,

уравнение, поверхность.

Одним из возможных путей повышения качества химических материалов и изделий из них является модификация свойств волокон с помощью низкотемпературной плазмы. В данной публикации приведены математические модели, позволяющие управлять капиллярностью высокомодульных полиэтиленовых волокон в зависимости от режимов воздействия потока ВЧЕ-разряда пониженного давления.

Keywords: fibres, updating, plasma, the category, капиллярность, optimisation, the equation, a

surface.

One possible way to improve the quality of chemical material and products from fibres is a modification of their properties by low-temperature plasma. This publication shows the mathematical models, possible to regulate capillarity of high modulus polyethylene fibers, depending on the modes of low pressure HFC-discharge.

Целью данной работы является оптимизация технологических параметров модификации свойств полиэтиленовых волокон, в частности, повышение их гидрофильности. Эти волокна обладают высокой прочностью и ударной вязкостью в широком диапазоне температур (-200° - +100° С), высокой химической стойкостью и высокой износостойкостью и т.д., однако они гидрофобны [1-2].

Объектом исследования являлись сверхвысокомолекулярные, высокомодульные полиэтиленовые волокна (СВВМПЭ) марки D 800 - с молекулярной массой 1,5*106 г/моль (производство - Китай). Сверхвысокомолекулярная масса этого полимера определяет его уникальные физико-механические свойства, резко отличающие его от всех других.

С целью повышения гигроскопических свойств СВВМПЭ волокон выбран метод обработки материала в потоке ВЧЕ-разряде пониженного давления [3].

Для исследования гигроскопических свойств полиэтиленовых волокон выбран метод определения капиллярности. Капиллярность оценивалась согласно стандартному методу по ГОСТ 3816 - 81. За среднее значение капиллярности принималось среднее арифметическое восьми измерений, точность измерения составляла ±1 мм. Исследования проводились при определенной, так называемой, нормальной относительной влажности воздуха, равной 65%.

Обработка волокон проводилась на высокочастотной (ВЧ) плазменной установке, состоящей из стандартных блоков и элементов, включающих в себя генератор, высокочастотные емкостные (ВЧЕ) электроды, вакуумную систему, систему подачи плазмообразующего газа и диагностической аппаратуры.

Для контроля входных параметров установки применялось следующее диагностическое оборудование. Измерение напряжения высокой частоты проводилось электростатическими киловольтметрами С196 и С50 с относительной ошибкой ±1,5 %, для измерения ВЧ-токов через электрод использовался термоамперметр типа Т19 с переносным ВЧ-трансформатором типа И106/1. Абсолютная погрешность в измерениях тока высокой частоты не превышала ±2,5 %. Измерения частоты генератора проводились с помощью электронносчетного частотометра ЧЗ-44. Погрешность определения частоты не превышала ±0,1 % .

Обработка волокон осуществлялась в среде плазмообразующего газа - аргона при варьировании входных параметров ВЧЕ-разряда: тип нагрузки - емкостной, давление Р = 16 - 26,6 Па, расход плазмообразующего газа G = 0,04 г/с, время обработки t = 60 - 420 с, сила тока на аноде J=0,3 - 0,7 А, напряжение на аноде U= 1,5 - 7,5 кВ.

Результаты экспериментальных данных обрабатывались с помощью программы «^айБйса 6.0», а погрешность результатов оценивали при доверительной вероятности 0,95.

Для выявления статистической зависимости параметров воздействия потока ВЧЕ-разряда пониженного давления на свойства синтетических волокон использован метод многофакторного планирования [4,5].

На основе вышеизложенного составлены центральные композиционные ротота-бельные планы (ЦКРП) для двухфакторных экспериментов. В процессе экспериментов попарно изменялись следующие параметры: сила тока и напряжение, сила тока и продолжительность процесса, сила тока и давление в разрядной камере, напряжение и продолжительность процесса.

В результате обработки волокон в потоке ВЧЕ-разряда при варьировании входных параметров высота подъема жидкости изменялась от 0,0 до 98,0 мм.

По каждому полученному двухфакторному эксперименту рассчитывалось уравнение регрессии второго порядка (1), общий вид которого представлен ниже:

у=Ь0+Ь^ +b2x2+b11x12+b22x22+b12x1x2

На основе проведенных вычислений получено уравнение регрессии второго порядка (2), которое описывает соотношение между капиллярностью и силой тока и напряжением:

Н=22,24-65,6^-2,05и+68,'Ш2+0,19U2+0,833JU.

Знаки коэффициентов регрессии указывают на влияние факторов на капиллярность. Из уравнения (2) видно, что коэффициенты Ь? и Ь2 отрицательны (Ь? = -65,64, Ь2 =-2,06), следовательно, были выбраны завышенные значения факторов. Их снижение приведет к улучшению результата. Положительное значение Ь12 (Ь?2 = 0,83) свидетельствует, что либо оба фактора принимают верхнее значение, либо находятся на нижнем уровне. Коэффициенты Ь?1 и Ь22 имеют положительные значения, следовательно, центром фигуры является минимум. Поверхность отклика для данных входных параметров представлена на рис.1.

Из рис. 1 видно, что экстремум лежит в области эксперимента. Точке экстремума соответствует минимальное значение капиллярности. С удалением от точки экстремума в обе стороны увеличивается значение капиллярности.

Математическая зависимость капиллярности от силы тока и продолжительности процесса представлено уравнением (3):

Н= -8,76+22,68и+4,531+6,1би2-0,0912-6,87Л.

Рис. 1 - Поверхность отклика на плоскости при изменении значений силы тока и напряжения

В уравнении (3) отрицательное значение Ь12 Ф12 =-6,87) свидетельствует, что один из факторов находится на нижнем уровне. Знаки коэффициентов Ь1 и Ь12 разные, поэтому влияние силы тока ослабевает с увеличением продолжительности процесса. Знаки коэффициентов Ь и Ь2 одинаковы, а Ь12 имеет противоположный знак, следовательно, каждый фактор в отдельности влияет сильнее, чем при одновременном воздействии факторов. Поверхность отклика для данных входных параметров представлена на рис.2.

Рис. 2 - Поверхность отклика на плоскости при изменении силы тока и продолжительности процесса

Гиперболоподобные кривые поверхности отклика, представленные на рис. 2, соответствуют поверхности отклика типа минимакса, так как коэффициенты влияния Ьц и Ь22

имеют разные знаки. Значение капиллярности увеличивается при движении по одной оси и уменьшается по другой, что позволяет выбирать направление модификации в зависимости от требуемых значений.

Уравнение регрессии, описывающее соотношение между капиллярностью и силой тока и давлением, имеет вид (4):

Н=-7,14+23,83и+0,46Р+26,'Ш2+0,02Р2-2,67иР.

В уравнении (4) знаки коэффициентов Ь1 и Ь2 одинаковы, а Ь12 имеет противоположный знак, следовательно, каждый фактор в отдельности влияет сильнее, чем при одновременном воздействии. Отрицательное значение Ь12 Ф12 =-2,67) свидетельствует, что один из факторов находится на нижнем уровне. Поскольку знаки коэффициентов Ь1 и Ь12 разные, следовательно, влияние силы тока ослабевает с увеличением давления в разрядной камере. Поверхность отклика для этого случая представлена на рис. 3.

Рис. 3 - Поверхность отклика на плоскости при изменении силы тока и давления

Подобно гиперболическим кривым, поверхность отклика соответствует поверхности отклика типа минимакса. Значение капиллярности увеличивается при движении по одной оси и уменьшается по другой.

Уравнение, описывающее соотношение между капиллярностью и напряжением и продолжительностью процесса, имеет вид (5):

Н=3,24+0,41и+0,351+0,02и2+0,1212-0,22Ш.

В уравнении (5) знаки коэффициентов Ь1 и Ь2 одинаковы, а Ь12 имеет противоположный знак, следовательно, каждый фактор в отдельности влияет сильнее, чем при одновременном воздействии. Знаки коэффициентов Ь>1 и Ь12 разные, следовательно, влияние напряжения ослабевает с увеличением продолжительности процесса. Поверхность отклика представлена на рис. 4.

Поверхность отклика имеет вид типа возрастающего возвышения (или гребня), так как коэффициент Ьц близок к нулю (Ьц =0,02). Коэффициент Ь2 - это крутизна наклона возвышения, а центр фигуры удален от центра эксперимента.

Адекватность каждого уравнения оценивалась по значению критерия Фишера (для всех уравнений значение коэффициента меньше табличного значения).

Рис. 4 - Поверхность отклика на плоскости при изменении значений напряжения и продолжительности процесса

В результате полученных данных можно сделать следующие выводы:

1. Экспериментально полученные результаты свидетельствуют, что плазменная обработка в ВЧЕ-разряде позволяет активировать поверхность СВВМПЭ волокон, понижая поверхностное натяжение.

2. Максимальное значение капиллярности волокон (Н=9,8 см) достигается при параметрах: J=0,4 А, U=6 кВ, t=6 мин, P=26,6 Па, а минимальное значение (Н=2,1 см) - при значениях: J=0,3 А, U=1,5 кВ, t=4 мин, P=26,6 Па.

3. Получены математические модели двухфакторных экспериментов, адекватно описывающие процесс и позволяющие определить значения капиллярности при варьировании исследуемых параметров.

Литература

1. Dyneema the top in high performance fibers //Режим доступа: http://www.dyneema.ru

2. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) «ПОЛИНИТ» // Режим доступа:

www.polinit.ru

3. Сергеева, Е.А. Влияние высокочастотного разряда пониженного давления на свойства ВВПЭ волокон / Е.А. Сергеева, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2009. - №2. — С.84-89.

4. Закгейм, А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов / А.Ю. Закгейм. -М.: Химия, - 1973. - 224 с.

5. Налимов, В.В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов / В.В.Налимов, Н.А.Чернова. - М.: Наука, - 1965. - 340 с.

© Е. А. Сергеева - канд. хим. наук, доц., докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, katserg@rambler.ru; И. А. Гришанова - канд. техн. наук, доц. каф. моды и технологий КГТУ; Л. Н. Абуталипова - д-р техн. наук, проф., проректор КГТУ; С. В. Илюшина - мл. науч. сотр. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ.