Влияние природы и состава плазмообразующей среды на физико-механические свойства высокомодульных полиэтиленовых волокон

И. А. Гришанова, Е. А. Сергеева, С. В. Илюшина,

М. Ф. Шаехов

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ И СОСТАВА ПЛАЗМООБРАЗУЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ВЫСОКОМОДУЛЬНЫХ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ВОЛОКОН

Ключевые слова:модификация, плазма, газ, состав, капиллярность, деформация, обработка, разряд, параметр, волокно.

Одним из способов улучшения физико-механических характеристик синтетических материалов и изделий из них является модификация свойств волокон с помощью низкотемпературной плазменной обработки. В данной статье приведены результаты исследований влияния природы, состава и режимов обработки в ВЧЕ-разряде пониженного давления на физические и деформационные характеристики высокомодульных полиэтиленовых волокон.

Keywords: modification, plasma, gas composition, capillary, deformation, processing, discharge,

option, fiber.

One way of improving physical and mechanical properties of synthetic materials and products from them is to modify the properties of fibers with low-temperature plasma treatment. This article presents the results of studies of the influence of nature, composition and processing modes in yester discharge of low pressure on the physical and deformation characteristics of high modulus polyethylene fibers.

Тенденцией развития текстильной и швейной отраслей промышленно развитых стран является расширение использования химических волокон и нитей. При этом высокопрочные и сверхвысокопрочные полимерные волокна сегодня являются многотоннажной продукцией, тогда как волокна общего назначения относятся к средне- и малотоннажной. Полимерные волокна находят применение при выработке легких текстильных тканей, тяжелых прокладочных материалов, а также для получения композиционных материалов [1].

Текстильные материалы, получаемые из волокон различного состава и с различными видами заключительной отделки на основе отечественных и зарубежных химических препаратов, выдвигают сложные проблемы перед специалистами текстильных и швейных предприятий и, во многом, усложняют технологию из-за комплекса свойств синтетических волокон, отличных от натуральных. Большим недостатком текстильных материалов химического и смесового состава являются их гидрофобность, электризуемость, низкий коэффициент сцепляемости, высокая осыпаемость и т.д. В связи с этим в последнее время большая часть выпускаемых полимерных волокон подвергается модификации [2-4].

Модифицированные волокна, приобретая новые функциональные свойства, применяются для получения, как однокомпонентных текстильных полотен, так и могут входить в состав смесовых текстильных материалов. И в том, и в другом случае можно достичь необходимых положительных эффектов, что особенно важно для улучшения характеристик изделий из этих волокон.

Наиболее простыми и широко используемыми являются методы физического модифицирования, в частности, неравновесная низкотемпературная плазменная обработка (ННТП). Это связано с тем, что по сравнению с традиционными химикотехнологическими процессами плазменные процессы являются менее энергоемкими и потенциально экологически чистыми. Благодаря плазменной обработке можно придать синтетическим волокнам гидрофильность, улучшить адгезионные и сорбционные свойства, окрашиваемость, снизить сминаемость, усадку, изменить электрофизические свойства, повысить сопротивление износу, устойчивость к химическим реактивам, улучшить состояние поверхности и т.п. [1,3].

Существующие экспериментальные исследования низкотемпературного плазменного модифицирования высокомолекулярных соединений из-за большого разнообразия условий экспериментов, выполненных на различных установках и в разных режимах, трудно подаются обобщению.

Данная работа посвящена исследованию влияния различных плазмообразующих сред и параметров обработки в высокочастотном емкостном разряде (ВЧЕ-разряде) пониженного давления на физико-механические свойства высокомодульных полиэтиленовых волокон (СВМПЭ). По удельным характеристикам СВМПЭ волокна (их плотность - 940-970 кг/м ) превосходят другие типы волокон, что делает их наиболее перспективными материалом для различных отраслей промышленности [2].

ННТП обработка волокон осуществлялась на экспериментальной ВЧЕ плазменной установке, описанной в работе [5]. Плазмообразующими газами являлись: аргон,

аргон/воздух, аргон/пропан-бутан, аргон/азот в соотношении 70/30. Модификация проводилась при следующих постоянных входных параметрах ВЧЕ-разряда: тип нагрузки -емкостной, давление (Р) - 26,6 Па, расход плазмообразующего плазма (О) - 0,04 г/с, время обработки (1) - 180 с. Варьировались такие параметры как сила тока на аноде (1а) от 0,5 до

0,7 А, напряжение на аноде (иа) от 2,5 до 6 кВ. Данная совокупность параметров характерна для ВЧЕ плазменной обработки в целом.

Результат воздействия ВЧЕ-разряда на исследуемые свойства СВМПЭ волокон оценивался с помощью комплекса стандартных методик, включающих в себя методы определения капиллярности в соответствии с ГОСТ 3816-81 и получения деформационных характеристик в соответствии с ГОСТ 29104-91 на разрывной машине РМ-50 фирмы «Пласт» с компьютерным управлением.

Полученные экспериментальные значения капиллярности модифицированных волокон Б 800 в различных режимах и различных плазмообразующих газах при выносе образцов на воздух после обработки представлены в таблице 1.

Значения капиллярности волокон, выдержанных в реакционном объеме в среде аргона в течение шести суток после обработки, представлены в таблице 2.

Приведенные данные свидетельствуют, что воздействие ННТП в трех различных по природе плазмообразующих газах (аргон, аргон/воздух, аргон/пропан-бутан, аргон/азот) модифицирует поверхность полиэтиленовых волокон: их капиллярность и смачиваемость водой возрастает от 0,0 до 79,0 мм, а в среде аргон/пропан-бутан волокна сохраняют гидрофобность (см. табл. 1).

Таблица 1 - Значения капиллярности модифицированных волокон Б 800 в зависимости от режимов обработки в ВЧЕ-разряде

Режимы обработки Капиллярность при обработке в средах, мм

^ А В к ,а и 1, с аргон аргон/воздух аргон/азот аргон/пропан

0,5 2,5 180 79±1 40±1 39±1 0

0,7 4,5 180 68±1 49±1 26±1 0

0,7 6 180 43±1 40±1 30±1 0

Таблица 2 - Значения капиллярности модифицированных в среде аргона волокон Б 800 в зависимости от длительности выдержки в реакционном объеме

Режимы обработки Продолжительность выдержки, сутки Капиллярность, мм

^ А ,а и 1, с

0 39±1

1 33±1

2 20±1

0,5 2,5 180 3 11±1

4 8±1

5 7±1

6 5±1

Изменение входных параметров ННТП обработки природы плазмообразующего газа также сказываются на величине капиллярности (см. табл. 1).

Максимальное значение капиллярности наблюдается у модифицированного СВМПЭ волокна в среде аргона при выносе образца на воздух в режиме: 1а=0,5 А, иа=2,5 кВ. Минимальное значение капиллярности - у модифицированных СВМПЭ волокон, обработанных в режиме: 1а=0,7 А, иа=6 кВ в среде - аргон/азот.

Капиллярность модифицированного волокна, выдержанного в реакционном объеме в среде аргона, сохраняется в течение шести суток, постепенно уменьшаясь (см. табл. 2).

Из приведенных данных следует, что оптимальным режимом гидрофилизации СВМПЭ волокон является следующий: 1а=0,5 А, иа=2,5 кВ, 1=180 с, Р=26,6 Па, 0=0,04 г/с в среде аргона.

Активацию поверхности сверхмодульного полиэтилена можно объяснить, с нашей точки зрения, образованием радикалов и водорода при плазменной обработке и функциональных групп при выносе образцов на воздух, а сохранение гидрофобности СВМПЭ волокон после обработки в среде аргон/пропан-бутан во всех исследованных режимах - взаимодействием образующихся при плазмолизе радикалов с мономерными звеньями пропан-бутана. Изменение смачиваемости с течением времени

модифицированных СВМПЭ волокон после их выдержки в инертной среде, вероятно,

связано с «купированием» образующихся при плазменной обработки радикалов и водорода слоем газообразного аргона.

Деформационные кривые активированных СВМПЭ волокон в различных средах и при различных режимах представлены на рисунках 1-3.

Полученные зависимости свидетельствуют о различном влиянии параметров ННТП обработки и природы газа на прочность при растяжении и относительном удлинении образцов СВМПЭ волокон.

Различный характер наблюдаемых деформационных кривых свидетельствует о преобладании в структуре модифицированных волокон либо участков с аморфным состоянием на деформационной кривой - выраженный участок пластической деформации (рис. 1 а, 2 а, 2 б), либо кристаллических областей на деформационной кривой - хрупкий характер разрушения (рис. 2 б, 3 а).

17-1|7-1|71[7-1

1 300 1 250 1 200 1 150 1 100 1 050 1 000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

/

( а[

\ /

в.

4

; / _ Лр- б

/ г

— -ИИ

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

Относительное удлинение %

а - в среде аргона б - в среде аргон/воздух в - в среде аргон/азот

Рис. 1 - Деформационные кривые модифицированных в различных средах волокон Б 800

Относительное удлинение %

а - в среде аргона б - в среде аргон/воздух в - в среде аргон/азот

Рис. 2 - Деформационные кривые модифицированных в различных средах волокон Б 800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64

Относительное удлинение %

а - в среде аргона б - в среде аргон/воздух в - в среде аргон/азот

Рис. 3 - Деформационные кривые модифицированных в различных средах волокон Б 800

Наблюдаемый многоступенчатый характер разрушения при деформации модифицированных СВМПЭ волокон (рис. 2б, 3б) свидетельствует о поочередном разрыве филаментов в волоке и снижением количества, держащих дальнейшую нагрузку волокон. Исходя из анализа литературных данных и полученных экспериментальных значений прочности и удлинения при разрыве и вида деформационных кривых можно предположить, что вынужденная пластичность модифицированного СВМПЭ будет определяться общей структурной организацией волокон на надмолекулярном уровне, а разрушение волокон и относительное удлинение - как общей структурой волокон, так и ее дефектностью на надмолекулярном и микроуровне. Таким образом, проведенные исследования позволяют констатировать, что в исследуемых плазмообразующих газах и режимах ННТП обработки можно варьировать значениями физико-механических характеристик СВМПЭ волокон.

На основе полученных результатов можно заключить, что для улучшения адгезионных свойств СВМПЭ волокон и, как следствие, получения высокопрочных композиционных материалов на их основе обработку ННТП волокон с целью их модификации следует проводить в среде аргона при режиме: 1а=0,7 А, иа=4,5 кВ, 1=180 с, Р=26,6 Па, 0=0,04 г/с.

Значениями физико-механических характеристик можно варьировать, как свидетельствуют экспериментальные данные, изменяя плазмообразующие среды и входные параметры ВЧЕ-установки.

Литература

1. Текстиль - важнейший приоритет жизнеобеспечения и развития общества // Текстильная промышленность. - 2009. - №4. - С. 48

2. Перепелкин К.Е. Высокотермостойкие полиоксадизольные волокна, нити и текстиль на их основе / К. Е. Перепелкин // Химические волокна. - 2006. - № 13. - С. 1-5

3. Абдуллина, В. Х. Регулирование свойств полиолефиновых волокон и нитей низкотемпературной плазмой пониженного давления: автореферат дис. ... канд. тех. наук: 05.19.01: защищена 24.12.09: утв. 9.04.10 / Абдуллина Венера Хайдаровна. - Казань, 2009. - 18 с.

4. Абдуллин И. Ш. Высокочастотные плазменные процессы в текстильной промышленности / И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова, Е.В. Купман // Научная сессия: Тез. докл. - Казань: КГТУ. -2007. - С. 63

5. Сергеева, Е. А. Оптимизация режимов низкотемпературной плазменной обработки высокомодульных полиэтиленовых волокон / Е.А. Сергеева, И. А. Гришанова, С. В. Илюшина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №7. - С. 94-98.

© И. А. Гришанова - канд. техн. наук, доц. каф. моды и технологий КГТУ; Е. А. Сергеева - канд. хим. наук, доц., докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, katserg@rambler.ru; С. В. Илюшина - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; М. Ф. Шаехов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.