Исследование влияния низкотемпературной плазменной обработки на капиллярные свойства базальтового волокна

УДК 66.022.1:54-116

А. Р. Гарифуллин, И. Ш. Абдуллин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА КАПИЛЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА

Ключевые слова: низкотемпературная плазма, высокочастотный емкостной разряд, базальтовое волокно, свойства, модификация.

Исследованы режимы плазменной модификации свойств базальтового волокна. Изучены капиллярные и прочностные свойства базальтовых волокон. Подобран оптимальный режим обработки.

Keywords: non-thermal plasma, radio-frequency capacity discharge, basaltfibers, properties, modification.

The plasma treatment modes of basalt fiber were studied. Capillary and strength properties of basalt fibers were researched. The optimal treatment mode has been chosen.

Введение

Промышленные достижения минувшего века и на сегодняшний день напрямую связаны с производством композиционных материалов на основе различного типа волокон. Предприятия по переработке композиционных материалов находятся под контролем, так как данные производства являются экологически вредными.

Во всем мире ведутся работы по поиску экологически безопасного сырья. Экономически выгодным и экологически чистым сырьем для производства нового класса композиционных материалов показал себя базальт. Базальт - это сырье, получаемое из горных магматических пород, запасы которого практически нескончаемы в мире, имеющее стабильную химическую и минералогическую структуру.

Материалы, производимые из базальтовой породы, пользуются большим спросом в современном мире. Они задействованы практически во всех отраслях промышленности. Переработка базальта в различные волокна проходит без выделения промышленных отходов и выбросов вредных веществ в атмосферу. Для изготовления базальтового волокна (БВ) куски базальта расплавляют в ванных печах, после чего расплавленный состав базальта вырабатывают на многофильерном платинородиевом питателе и полученные волокна наматывают на бобины [1].

Технология создания волокнистых полимерных композиционных материалов (ВПКМ) включает в себя активацию поверхности волокон с целью увеличения адгезионного взаимодействия между волокном и матрицей. На сегодняшний день в производстве до изготовления армированных композитов волокно обрабатывают химическими растворами, которые являются агрессивными средами и токсичны, а значит, требуют сложных систем защиты и утилизации как опасные отходы. Перспективным инструментом обработки материалов различной природы является высокочастотная емкостная (ВЧЕ) плазма при пониженном давлении [2]. Метод дает возможность обрабатывать неорганические и органические материалы различного состава и структуры. Особенно важно отметить тот факт, что

технология обработки ВЧЕ плазмой является экологически безопасной.

Основываясь на результатах предшествующих работ [3, 4] в области изучения влияния низкотемпературной плазмы (НТП) на свойства неорганических волокон и нитей для придания материалам гидрофильных свойств проводится обработка в ВЧЕ разряде при пониженном давлении в среде аргона.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования была использована базальтовая крученая нить БС10-68240-KB-12.

Для изучения влияния НТП на капиллярные свойства БВ, образцы предварительно обрабатывались в плазменной установке в режиме: GA = 0,04 г/с, f=13,56 МГц, Р = 26,6 Па, t = 3 мин, с варьированием напряжения (Ua) от 2 кВ до 7 кВ и силы тока (Ia) от 0,3 А до 1,0 А. В результате исследований определяли капиллярность по высоте поднятия воды с красителем и разрывную нагрузку на универсальной испытательной машине Autograph AGS-X (Shi-madzu, Япония) контрольных и обработанных ВЧЕ плазмой образцов БВ. Результаты исследований представлены в таблицах 1, 2, и на рисунке 1.

Таблица 1 - Зависимость капиллярности БВ от режимов плазменной обработки

№ Напряжение (U), кВ Сила тока (1а), А Капиллярность, мм

1 Контрольный образец 34

2 2 0,3 60

3 3 0,4 64

4 4 0,6 74

5 5 0,7 67

6 6 0,85 62

7 7 1,0 62

р ежим обр аботкн

Рис. 1 - Зависимость капиллярности базальтовой нити от режимов плазменной обработки

Анализ результатов показал, что максимальное значение капиллярности базальтовой нити достигается при НТП обработки в режиме: иа = 4 кВ, 1а = 0,6 А, г = 3 мин, вдг = 0,04 г/с, f=13,56 МГц, Р = 26,6 Па. Капиллярность в данном режиме увеличивается на 118%. Таким образом, данный гидрофильный режим может позволить увеличить межфазную адгезию между БВ и полимерной матрицей при создании композиционного материала с улучшенными прочностными свойствами. Дальнейшее увеличение напряжения на аноде приводит к небольшому снижению капиллярности.

Таблица 2 - Зависимость разрывной нагрузки базальтовой нити от режимов плазменной обработки

№ Напряжение (Ua), кВ Сила тока (1а), А Разрывная нагрузка, Н

1 Контрольный образец 25,8

2 2 0,3 32,2

3 3 0,4 29,5

4 4 0,6 26,5

5 5 0,7 26,0

6 6 0,85 25,5

7 7 1,0 29,6

грузки БВ не ухудшаются, что позволяет трактовать о сохранении объемных свойств материала. Несмотря на то, что выбранный режим, при котором достигается максимальное значение капиллярности, не соответствует максимальному показателю разрывной нагрузки, выбор его обуславливается тем, что нас интересует прочностные показатели не самого волокна, а композита на его основе, что будет обеспечиваться в частности увеличением капиллярных свойств, улучшающих межфазную адгезию в ВПКМ.

Выводы

Плазменная ВЧЕ обработка при пониженном давлении в среде аргона способствует повышению капиллярных свойств БВ без потери прочностных характеристик. Таким образом, по итогам испытаний выявлена тенденция к увеличению адгезионной способности БВ при НТП обработке, что по прогнозам приведет к увеличению прочностных свойств полимерных композиционных материалов на основе модифицированного волокна.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ, проект № 2196 от 01.02.2014 г.

Литература

1. Тростянская Е.Б. Базальтопласты / Е.Б. Тостянская, Ю.В. Кутырев // Пластические массы. 1976. - №11. -С.44-46.

2. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления / И.Ш.Абдуллин, В.С. Желтухин, И.Р. Сагбиев, М.Ф. Шаехов. - Казань: Изд-во Ка-зан.технол. ун-та, 2007. - 356 с.

3. Гарифуллин А. Р. Плазменнаягидрофилизация углеродной ленты для создания композиционных материалов с повышенными прочностными характеристиками / А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №13. - С. 122-124.

4. Влияние плазменной обработки на поверхностные свойства стекловолокна / И.П. Ершов, Е.А. Сергеева, Л.А. Зенитова, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №4. - С. 97-99.

Для режима, обеспечивающий максимальный капиллярный эффект значения разрывной на-

© А. Р. Гарифуллин - асп. каф. ПНТВМ КНИТУ, darin-loko@yandex.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., профессор, зав. каф. ПНТВМ КНИТУ.

© A. R. Garifullin - postgraduate student of the department PNTMC KNRTU, darin-loko@yandex.ru; 1 Sh. Abdullin - professor, head of the department PNTMC KNRTU, abdullin_i@kstu.ru.