К вопросу плазменной модификации хлопковых волокон

А. А. Азанова, М. А. Вельбой, А. Ю. Иванников,

Г. Н. Нуруллина

К ВОПРОСУ ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН

Ключевые слова: модификация, низкотемпературная плазма, волокно.

В статье приведены данные исследования хлопковых волокон после обработки низкотемпературной неравновесной плазмой методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, ИК-спектроскопии, термического анализа. Изучена устойчивость эффекта плазменной модификации во времени

Keywords: modification, low-temperature plasma, fiber.

The results of the study of cotton fibers after treatment with low-temperature nonequilibrium plasma using electron microscopy, ray analysis, infrared spectroscopy and thermal analysis. The stability of the effect ofplasma modification time

Введение

Обеспечение конкурентоспособности

отечественных предприятий легкой

промышленности возможно при большей их гибкости и маневренности, систематическом обновлении ассортимента выпускаемой продукции с высокой степенью готовности и с новыми функциональными возможностями, при разработке и внедрении комплекса научных и технологических мероприятий. При создании новых текстильных материалов следует учитывать решение таких вопросов как: новизна материала и его

преимущества; качество ткани и ее конкурентоспособность; экономические и экологические аспекты [1]. Одним из перспективных способов модификации материалов легкой промышленности является обработка в неравновесной низкотемпературной плазме (ННТП).

ННТП позволяет изменять свойства очень тонкого приповерхностного слоя материала, сохраняя механические и физико-химические свойства массы полимера. Наиболее приемлемый, с точки зрения достижения эффекта плазменной модификации, без существенной деструкции полимерных соединений, диапазон энергии активных частиц плазмы пониженного давления должен составлять от 1 до 100 эВ. Приведенный выше уровень энергии активных частиц плазмы наиболее оптимально реализуется в потоках неравновесной низкотемпературной плазмы, генерируемой высокочастотными разрядами пониженного давления. Эффект плазмы данного типа разряда определяется химической природой, строением обрабатываемого материала и

технологическими параметрами плазмы: концентрацией активных частиц, плотностью тока, природой плазмообразующего газа. Наиболее вероятными процессами, ответственными за модификацию поверхности материала в ВЧ плазме пониженного давления являются бомбардировка ионами (менее 100 эВ) энергии, рекомбинации ионов на поверхности и термическое воздействие. [2].

Плазменная обработка известна как

эффективный способ придания обрабатываемым

поверхностям способности мгновенно смачиваться водой и пропиточными составами. Данный эффект плазменной обработки используется для интенсификации и повышения качества проведения процессов в текстильном отделочном производстве. В связи с этим представляло интерес изучение влияния ННТП обработки на основные характеристики хлопкового волокна с целью дальнейшего выявления ее применения в технологических процессах текстильного отделочного производства.

Объекты и методы исследования

Плазменную обработку волокон и ткани проводили на опытно-промышленной

высокочастотной установке в различных режимах (I=0,2-0,7A; ^1.5-7^^) и разных газоразрядных средах (аргон, кислород, азот, воздух). Эффекты плазменного воздействия на материалы оценивались по значениям капиллярности согласно стандартным методам испытаний. Поверхность образцов исследовали с помощью растрового электронного микроскопа PHENOM структуру волокон образцов - рентгенографическим методом с помощью дифрактометра ДРОН-3М, так же снимали ИК-спектры на ИК-Фурье спектрометре Tensor 27. Термический анализ образцов проводили на дифференциальном сканирующем калориметре DSC 823e фирмы METTLER TOLEDO в воздушной (окислительной) среде со скоростью нагревания 100С/мин.

Результаты и их обсуждение

ННТП обработка приводит к изменению микрорельефа поверхности: увеличению количества микротрещин и появлению шероховатости, причем, при использовании в качестве плазмообразующего газа кислорода этот эффект более существенен. Данное обстоятельство связано травлением поверхностных слоев волокна за счет его окисляющего воздействия. Результаты определения массы образцов до и после плазменной обработки в окислительной плазме кислорода показали, чем дольше обрабатывается образец в плазме, тем значительнее потеря массы (табл. 1).

Эффект травления зависит от поверхностной плотности образца: чем меньше поверхностная плотность, т.е. разреженнее материал, тем интенсивнее происходит потеря массы. Обработка образцов в плазме инертного газа аргона не приводит к существенному изменению их массы.

Таблица 1 - Изменение массы образцов

хлопчатобумажных трикотажных полотен после ННТП обработки

Время обработки, мин. Изменение массы образца, %

арт. М200

5 -0,64 -0,36

10 -1,44 -0,96

15 -2,12 -1,92

20 -6,74 -3,63

Исследование поверхности трикотажного хлопчатобумажного полотна до и после плазменной обработки методом оптической микроскопии показало, что у обработанных плазмой образцов петля более ровная, четкая; волокна в нити упакованы плотнее, отчетливо прослеживаются петли и протяжки. Плотность по вертикали и по горизонтали, а так же поверхностная плотность образца после плазменной обработки не изменяются. Рентгенографический анализ показал, что спектры исходного и обработанного образцов в целом идентичны, что свидетельствует о их структурной схожести. Незначительное различие наблюдается в угловом интервале 13-18 02 0, в котором проявляется два рефлекса с

межплоскостным расстоянием 5,9 и 5,4 ^, у обработанного плазмой образца они лучше разрешены и выше степень кристалличности (0,49 по сравнению с 0,42 у исходного), что связано с изменением пространственной упаковки молекул целлюлозы в целом или отдельных звеньев. ИК-спектроскопическое исследование не

зарегистрировало заметных различий исходного и обработанного плазмой образцов, что говорит об отсутствии значительных изменений химических свойств поверхности волокон.

Термогравиметрические кривые всех образцов практически идентичны: незначительные потери веса на 3-4% наблюдаются при нагревании до 230-2500С, что обусловлено с удалением адсорбционной воды. Заметная потеря веса начинается для исходного и обработанного плазмой образцов при повышении температуры до 280,420С и 279,450С соответственно. Отбеливание и отваривание, повышают начальную температуру разложения материалов: для отбеленного образца она составляет 331,80С, для отваренного - 291,30С. После плазменной обработки структура целлюлозы хлопка практически не изменяется, однако смещение экзотермы в большую сторону, может говорить о структурировании целлюлозы при плазменной обработке. Отбеливание и отваривание вызывают повышение термостабильности хлопка.

Важным фактором, который необходимо учитывать при разработке плазмохимических технологий, является устойчивость придаваемых эффектов [3]. Устойчивость эффекта плазменной модификации оценивали по капиллярности образцов. После плазменной обработки полотна подвергались термическому воздействию, бытовой стирке и кипячению в течение 5 мин. Обобщенный анализ результатов испытаний образцов разных артикулов показал, что все образцы, обработанные в кислороде, сохраняют гидрофильные свойства после всех вышеперечисленных обработок, что объясняется значительной модификацией

поверхностных свойств хлопковых волокон. Термическое воздействие (нагревание) приводит к снижению смачиваемости, одной из возможных причин чего является частичное удаление и плавление воскообразных веществ и замасливателей, содержащихся на поверхности волокон, при нагревании, что и приводит к частичному восстановлению гидрофобности поверхности. Бытовая стирка и кипячение не ухудшают смачиваемость, а напротив, в некоторых режимах даже повышают. Это говорит, прежде всего, о том, что после плазменной обработки во время стирки или кипячения ускоряется удаление содержащихся на поверхности волокон замасливателей и восков, что и обуславливает высокую смачиваемость полотен.

Эффект гидрофилизации обработанных ННТП суровых трикотажных полотен достачно устойчив: наилучшая смачиваемость наблюдается в течение трех-пяти дней, далее наблюдается небольшое снижение эффекта и стабилизация гидрофильных свойств.

Выводы

ННТП обработка приводит к модификации поверхности волокон хлопка, одной из причин которой является травление поверхности в окисляющей плазме Структура волокна изменяется незначительно: происходит увеличение кристалличности. ННТП обработка позволяет получать достаточно стабильный устойчивый эффект, который может быть положен в основу промышленных плазменных технологий в текстильном отделочном производстве.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по соглашению 14.В37.21.2033 от 14 ноября 2012г.

Литература

1. Гришанова И. А. Исследование свойств модифицированных полимерных текстильных материалов / И. А. Гришанова, А. А. Азанова, // Вестник Казанского технологического университета, Казань, КНИТУ, Т.15, №21, 2012, С.63-66.

2. Абдуллин И.Ш. Высокочастотная плазменно - струйная обработка материалов при пониженном давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2000. - 348с

3. Шарнина Л.В. Научные основы и технологии отделки текстильных материалов с использованием низкотемпературной плазмы, новых препаратов и способов колорирования: дис. ... докт.тех.наук 05.19.02 / Шарнина Любовь Викторовна. - Иваново, - 2006. -538с.

© А. А. Азанова - к.т.н., доцент каф. МТ КНИТУ, azanovlar@rambler.ru; , М. А. Вельбой - магистрант КНИТУ; А. Ю. Иванников - к.т.н., с.н.с. ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. Байкова РАН, ivannikov-a@mail.ru; Г. Н. Нуруллина - ст.преп. каф. МТ КНИТУ, nur.guthel@inbox.ru.