Исследование капиллярного подъема жидкости в крученых высокомодульных волокнах, модифицированных в низкотемпературном газовом разряде

УДК 677.021.125

И. А. Гришанова, И. Ш. Абдуллин

ИССЛЕДОВАНИЕ КАПИЛЛЯРНОГО ПОДЪЕМА ЖИДКОСТИ

В КРУЧЕНЫХ ВЫСОКОМОДУЛЬНЫХ ВОЛОКНАХ,

МОДИФИЦИРОВАННЫХ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ

Ключевые слова синтетическое волокно, крутка, модификация, низкотемпературный газовый разряд, капилляры,

смачиваемость, пропитка.

В представленной работе рассмотрено влияние низкоэнергетического воздействия на капиллярный подъем деионизованной воды до и после процесса кручения мультифиламентных непрерывных сверхмодульных полиэтиленовых волокон. Полученные данные свидетельствуют о возможности управления процессом впитывания синтетических текстильных крученых мультифиламентных волокон.

Keywords: structure, pores, capillaries, wetting, impregnation, textiles, filament, fiber, polyethylene- (HMW-HDPE).

In the present study we examined the effect of low exposure to the capillary rise of deionized water before and after torsion multifilament continuous HMW-HDPE fibers. The findings suggest the possibility of process control absorption of synthetic textile twisted multifilament fibers.

Введение

Физико-химическое модифицирование

поверхности волокнообразующих полимеров в низкотемпературном газовом разряде в настоящее время рассматривается как перспективный процесс современной технологии. Одно из основных назначений данного процесса - это уменьшение краевого угла смачивания на границе раздела жидкость - твердое тело.

В ранее опубликованных работах [1-3] описаны процессы поверхностной физико-химической модификации высокомодульных полиэтиленовых волокон в виде непрерывного мультифиламентного пучка, содержащего от 450 до 950 филаментов в различных газоразрядных средах. При этом установлено, что в результате низкотемпературной газоразрядной обработки в средах аргона, аргон -азота, аргон - воздуха происходят гидрофилизации поверхности сверхмодульных полиэтиленовых волокон, которым в исходном состоянии. присущи гидрофобные свойства Полученные данные позволили авторам [4,5] заключить, что в поверхностном нанослое волокон наблюдаются изменения химического состава (формирование функциональных групп) и его структуры, при этом возникновение надмолекулярной структуры на поверхности волокон зависит от условий осуществления низкотемпературного газового разряда.

В данной работе исследуются особенности процесса модификации синтетических

непрерывных высокомодульных

мультифиламентных волокон различной степени крутки и ее влияние на их свойства до и после модификации в низкотемпературной

газоразрядной среде. Актуальность данной задачи связана с большим интересом к разработке материалов с регулируемыми транспортными средствами, получение которых возможно, в частности, за счет модификации последних

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования выбраны химически модифицированные (гидрофильные) непрерывные мультифиламентные сверх -модульные полиэтиленовые волокна с числом филаментов 1000 единиц. Подобные волокна представляют большой практический интерес для получения армированных волокнистых

полимерных композитов с повышенными физико-механическими характеристиками.

В свою очередь для получения армированных композиционных материалов с хорошей адгезионной прочностью необходимо уменьшить коэффициент поверхностного натяжения волокон полимерной матрицей. В связи с этим изучение состояния волокон (крутки и модификации в среде низкотемпературного газового разряда) и его влияния на адгезионную способность представляет определенный интерес.

Обработка химически модифицированных полиэтиленовых волокон проводилась в среде аргона высокочастотного емкостного разряда при следующих параметрах: давление газа - 13,3 Па, мощность разряда - от 1,05 до 2,5кВт, частота генератора - 1,76 МГц. Продолжительность обработки изменялась от 60 сек. до 180 сек. Устройство газоразрядного реактора описано ранее в работе [5].

На лабораторном круткомере марки КУ-500 получены непрерывные мультифиламентные полиэтиленовые волокна с величиной крутки от 40 до 280 кр/м.

Исследование капиллярного подъема деионизованной воды в модифицированных и крученых волокнах проводилось в соответствии с ГОСТ 29104.11-91. За значение высоты подъема жидкости (Н) по капиллярам принималось среднее значение результатов не менее девяти измерений с погрешностью не более 1 мм.

Экспериментальные исследования изменений, происходящих в надмолекулярной структуре

опытных образцов при воздействии процесса кручения и низкотемпературного газового разряда, проводили методом Фурье-ИК-спектроскопии на автоматическом спектрометре Termo Nikolet iS-10 методом однократного нарушенного полного внутреннего отражения с использованием кристалла ZnSe при 2960К.

Результаты исследования и их обсуждение

Изменения капиллярного подъема

деионизованной воды исследованы в зависимости от продолжительности обработки сверхмодульных непрерывных полиэтиленовых волокон и мощности низкотемпературного газового разряда.

Исследования проводились на предварительно крученых с последующей модификацией и подвергнутых крутке после модификации волокнах.

Экспериментально полученные данные свидетельствуют, что при модификации

предварительно крученых волокон максимальная величина капиллярного подъема деионизованной воды возрастает в среднем на 49,1% при величине крутки, равной 120кр/м. При противоположном порядке обработки волокон значение

капиллярного подъема увеличивается на 14,8% при крутке, равной 80кр/м при тех же условиях модификации.

Кривые зависимости влияния величины крутки с последующей различной продолжительностью процесса модификации в низкотемпературной газоразрядной среде и предварительная модификация с последующей круткой нити представлены на рис.1 ( а, б).

Представленные зависимости имеют экстремум при величине крутки - 40 кр/м независимо от порядка и продолжительности процесса модификации при постоянной мощности разряда (1,75кВт). При этом капиллярный подъем деионизованной воды в волокнах изменяется от 43,6% до 59,1% при изменении времени обработки от 60 до 180 сек. Модификация волокон с последующим кручением изменяет величину капиллярного подъема жидкости в волокнах от 9,2% до 19,2% при различной длительности процесса. Максимальная капиллярность наблюдается для крученых сверхмодульных полиэтиленовых волокон до и после процесса модификации в низкотемпературной газоразрядной среде при длительности процесса - 180 сек.

Влияние величины мощности

низкотемпературной газоразрядной модификации при выполнении процесса кручения до и после модификации исследуемых волокон при постоянной продолжительности процесса (180 с) представлено на рис. 2 (а, б). Аналогично предыдущей зависимости наибольший

капиллярный подъем жидкости происходит при величине крутки волокон, равной 40кр/м, и длительности процесса - 180сек, вне зависимости от величины мощности газоразрядного процесса. Максимальный капиллярный подъем жидкости, как и в предыдущем случае, происходит на крученых

волокнах с последующим модифицированием в низкотемпературной газоразрядной среде (на 66,2% и 24,6% соответственно) при длительности процесса 180 с.

0 iO 30 120 1М 200 240 230 П К[УИ

а

Рис. 1 - Зависимость капиллярного подъема деионизованной воды от величины крутки сверхмодульных полиэтиленовых волокон до

Анализ результатов Фурье-ИК спектроскопии образцов крученых сверхмодульных

мультифиламентных полиэтиленовых волокон до процесса модификации позволяет заключить, что в зависимости от степени крутки наблюдается различная степень конформационных превращений (от 4% до 8%) в полимере. При этом, по-видимому, в результате механоинициирования и теплового воздействия при трении волокон в процессе кручения возникают также макрорадикалы, которые участвуют в дальнейших превращениях. Подобные предположения хорошо согласуются с данными работ [6,7], выполненными на традиционном полиэтилене.

Последующее газоразрядное облучение волокон вызывает дополнительные превращения в структуре высокомодульных волокон (до 27,4%) и разрыв химических связей, который подтвержден

данными работ [4,6- 8]. Авторами обнаружено, что механическое воздействие на полимеры сопровождается различными физическими явлениями, в частности, электронной эмиссией, изменением ИК-спектров и т.д.

Рис. 2 - Зависимость капиллярного подъема деионизованной воды от величины крутки сверхмодульных полиэтиленовых волоком до

Увеличение полярности поверхности волокон также способствует капиллярному впитыванию деионизованной воды.

Влияние мощности низкотемпературного газового разряда при постоянной продолжительности процесса, практически, незначительно (рис.2б).

Таким образом установлены оптимальные параметры процесса кручения и обработки в низкотемпературном разряде в среде аргона, позволяющие повысить гидрофильность непрерывных высокомодульных

мультифиламентных полиэтиленовых волокон, а следовательно и адгезионную прочность в композите.

Авторы выражают благодарность к.х.н., доценту кафедры ТСК ФГБУ ВПО КНИТУ Д. В. Бескровному за проведенные исследования волокон методом Фурье-ИК спектроскопии.

Литература

1. И.Ш. Абдуллин., В.С. Желтухин., Н.Ф. Кашапов, Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения: Из-во Каз. гос. технол. ун-та, Казань, 2000, 420 с.

2. И.А. Г. Казань Гришанова, О.С. Мигачева. Междун. н/технич. конф. « .Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий

3. И.А. Гришанова, Е.А. Сергеева, С.В.Илюшина. В сб. Новые технологии и материалы легкой промышленности. Казан. гос. технол.. ун-т., Казань, 2010. С.139-141.

4. Е.А. Сергеева, Н.В. Корнеева, Л.А. Зенитова, И.Ш. Абдуллин. Модификация синтетических волокнистых материалов и изделий неравновесной низкотемпературной плазмой: монография. Ч.2. Казань.: КГТУ, 2011, 256с.

5 И. А.Гришанова, О. С. Мигачева, В сб. «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2014. Т. 2. КНИТУ, Казань, 2014. С.291.

6.Н.К.Барамбай Механохимия высокомолекулярных соединений.. «Химия», Москва, 1971, 363с.

7. С.Мидзусима. Строение молекул и внутреннее вращение. Мир, Москва, 1957, 327с.

8. Б.М. Коварская, Л.И. Голубенкова, М.С. Акутин, П.И. Левантовская. ВМС, 1, 1042 (1959).

© И. А. Гришанова - к.т.н., доц. каф. МТ, КНИТУ, 314199@mail.ru, И.Ш. Абдуллин - д-р. техн. наук, проф., зав. каф. ПНТВМ КНИТУ.

© I. A. Grishanova - Candidate of technical Sciences, Assoc. professor, Department. FT KNRTU, 314199@mail.ru, I. Sh. Abdullin - Ph.D., professor, head of the department «Plasma- and nanotechnology high-molecular materials», KNRTU.