Влияние плазменной обработки материалов на эксплуатационные свойства одежды специального назначения

УДК687

Л. А.Сафина, В. В. Хамматова, Л. М. Тухбатуллина ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

ОДЕЖДЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ1

Ключевые слова: дизайн, одежда специального назначения, низкотемпературная плазма, пористость.

В статье рассмотрены результаты воздействия низкотемпературной плазмы на текстильные материалы, используемые для проектирования одежды специального назначения.

Keywords: design, special purpose clothing, low-temperature plasma, porosity.

The article deals with the effects of low temperature plasma on textile mother formula, used for the design of special purpose clothing.

Проектирование специальной одежды - это наиболее сложная область проектирования костюма, т.к. требует от дизайнера знаний не только в области композиции, тенденций моды и навыков рисования, но и особое значение приобретают знания в области материаловедения. Созданию конкурентоспособной отечественной спецодежды должен предшествовать комплекс работ: научно - обоснованный поиск оптимальных конструктивных, технологических, мате-риаловедческих и эстетических параметров.

К общим показателям спецодежды можно отнести: гигиенические, эксплуатационные, эргономические и художественно-эстетические. Эксплуатационные показатели связаны со сроком носки спецодежды, временем ее непрерывного использования, устойчивостью к стирке, химчистке, светопогоде и т.д. Таким образом, эксплуатационные свойства одежды в первую очередь зависят от свойств используемых материалов для ее изготовления.

Разные материалы обладают характеристиками в большей или меньшей степени, подходящими для конкретных условий. Существуют натуральные, синтетические и смесовые ткани. В качестве альтернативы механическим, физическим, химическим и биохимическим методам модификации волокнистых материалов особую значимость приобретает воздействие низкотемпературной плазмы. С помощью такой обработки можно решить ряд технологических задач:

- придать поверхности полимерных материалов адгезионные свойства, необходимые для металлизации, окраски, получения композиционных материалов [1];

- улучшить технологические и потребительские свойства тканей и волокон (регулировать гидро-фильность, увеличить грязеотталкивание, уменьшить усадку, сминаемость, электризуемость) [2];

- удалить органические соединения (например, при расшлихтовке тканей) [3];

- провести травление полимерных материалов

[4];

- улучшить механические свойства волокон, нитей и тканей.

Поскольку текстильный материал, применяемый для производства спецодежды должен быть прочным, износостойким, соответствовать всем тем условиям и рискам, которые присущи конкретному про-

изводству эта проблема представляет научный интерес для дизайнеров. Проектная группа специалистов кафедры «Дизайн» КНИТУ благодаря применению низкотемпературной плазмы доказала ее благотворное влияние ее на пористость текстильных материалов, используемых для спецодежды и напрямую влияет на ее эксплуатационные свойства.

Плазменная обработка включает ряд процессов, приводящих к изменению не только физических и физико-химических свойств волокон, но и к изменению химического состава и структуры поверхностного слоя полимера, к образованию газообразных продуктов с последующим уменьшением массы образца. Эффект воздействия низкотемпературной плазмы определяется химической природой, строением обрабатываемого материала и параметрами плазмы.

Из натуральных материалов для производства тканей хорошо распространен хлопок. Хлопковое волокно содержит до 96% целлюлозы, а льняное до 78%, таким образом, в льняном волокне больше примесей [5]. Хлопок хорошо впитывает влагу (гигроскопичен), позволяет коже дышать, не накапливает статическое электричество.

В то же время, ткани из 100% хлопка садятся после стирки и выцветают, а также подвержены гниению. Но, благодаря своей гигиеничности, этот материал входит в состав множества тканей.

Ткани из хлопка предназначенные для изготовления специальной одежды, обеспечивают нормальный влаго- и воздухообмен, гигроскопичность, мягкость и гибкость, имеют относительно малую массу, стойкость к воздействию щелочных растворов, легко стираются, выдерживают высокую температуру от 60 до 900 и сильное механическое трение во время стирки за счет прочных водородных связей. Хлопок выдерживает также сильнодействующие моющие средства и некоторые отбеливатели. Достоинствами хлопка также являются высокая прочность, стойкость к истиранию, термостойкость, устойчивость к воздействию света, благодаря управлению морфологической микроструктуры волокна. Хлопок хорошо красится и практически не выгорает. Гигроскопичность хлопковых волокон обеспечивает отличные гигиенические свойства произведенных изделий. На изделиях из чистого хлопка не появляются неопрятные катышки. При контакте с водой эластичность целлюлозы по-

вышается, так как вода является ее естественным пластификатором. При намокании оболочки, молекулы воды проникают в аморфные участки волокна и взаимодействуют со свободными гидроксильными группами и группами, разорвавшими связи с другими макромолекулами волокна. В результате чего, молекулы целлюлозы приобретают способность смещаться относительно друг друга, то есть целлюлоза становится эластичной, но одновременно теряет до 50% прочности.

Внутренняя поверхность целлюлозосодержащего волокна (пористость) имеет огромное влияние на его диффузионную проницаемость и сорбционную способность. Поэтому при управлении микроструктурой целлюлозных волокон необходимо учитывать, что физико - механические свойства определяются не только, а в ряде случаев не столько взаимным положением макромолекул и их изменением при различных обработках, сколько строением и взаимным расположением элементов надмолекулярной структуры.

Пористостью структуры натуральных волокон определяется ряд их физико-механических свойств: прочность, способность к поглощению жидкостей, набуханию, окрашиванию и т. д. Для выяснения механизма управления микроструктурой натуральных материалов легкой промышленности необходимо провести аналитические исследования их структуры, которые определяют свойства волокон и нитей, их прочность, способность к поглощению паров, газов, жидкостей, окрашиванию, упругость, растяжимость и другие.

Спецификой текстильного производства является многопереходность технологических процессов, отличающихся друг от друга как способами формирования волокнистого материала, так и методами его обработки для получения конечного продукта с заданными свойствами и качественными показателями. Практически во всех случаях исходным сырьем для текстильного производства является натуральное или смесь натурального и искусственного волокна. Технологические операции текстильного производства предусматривают формирование из волокнистой массы ленты, затем пряжи и ткани с последующим ее наноструктурированием, крашением или нанесением рисунка и заключительной отделкой.

В ходе исследования проводились дополнительные работы на подготовительном этапе по наноструктури-рованию образцов хлопкосодержащих тканей.

Наноструктурирование образцов натуральных текстильных материалов осуществлялось на плазменной установке «ВАТТ 1500 Р/Р ПЛАЗМА 3.

Плазменная установка предназначена для обработки рулонных тканей из натуральных и смесовых тканей в потоке неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления в условиях вакуума. Она является однокамерной установкой периодического действия. Основные параметры плазменной установки «ВАТТ 1500 Р/Р ПЛАЗМА 3» регулировали путем изменения расхода газа (в) 0,02-0,08 г/с, мощности разряда ^р) 2,0-3,5 кВт, давления в разрядной камере (Р) 16 - 30 Па, продолжительности обработки (т) до 3 метров в минуту. В качестве плаз-

мообразующего газа используются аргон, воздух, пропан- бутан и другие.

Наноструктурирование текстильных материалов проводится следующим образом: рулон исходного материал устанавливается внутрь вакуумной камеры и протягивается через перемоточные валы на приемный вал для перемотки рулонного материала, и устанавливается между ВЧ электродами в вакуумной камере, затем вакуумная камера закрывается. При закрытии крышки вакуумной камеры с помощью откатной двери, электроды устанавливаются в рабочее положение. В камере создается низкое давление и происходит наноструктурирование в потоке неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления.

Результаты исследования пористости текстильных материалов для специальной одежды с содержанием натуральных волокон (контрольный и наност-руктурированный в потоке неравновесной низкотемпературной плазмы (ННТП) образец) представлены на рисунках 1 - 5.

Обработке подвергались образцы тканей для спецодежды различным хлопкосодержанием производителя «Чайковская текстильная компания»: "Премьер Комфорт 250" (состав 80% хлопок + 20 % полиэстер), ткань суровье "Cotton Rich 180", артикул 18444 (состав 65% хлопок+35 % полиэстер), "Премьер Комфорт 250А" (состав 65% хлопок + 35 % полиэстер), "Премьер Cotton 300"100% хлопок, суровье "Премьер FR-300" 100% хлопок с антистатической нитью (для одежды электриков) и др.

Так, пористость контрольного образца ткани "Премьер Комфорт 250" с пропиткой составляет 45% (рис. 1). Из диаграммы видно, что пористость нано-модифицированного образца составляет 59 %. Обработка ткани в потоке ННТП в режиме Рк=18-20 Па; Wр=4,0кВт; т=2м/мин; ввозд=0,04г/с повышает пористость материала на 31%.

70 60 50 ± 40

|зо 20 10 о

1 2

Рис. 1 -Диаграмма изменения пористости ткани "Премьер Комфорт 250": 1 - контрольный образец; 2 - наномодифицированный образец

На рисунке 2 представлена диаграмма изменения пористости материала ткань суровье "Cotton Rich 180" (состав 65% хлопок+35 % полиэстер) как контрольного, так и наномодифицированного образца.

Как видно из диаграммы пористость контрольного образца составляет 45 %. После наномодифициро-вания ткани в потоке ННТП в режиме Рк=18-20Па; Wр=4,0кВт; т=1м/мин; ввозд=0,04 г/с, пористость

повышается на 27% относительно контрольного образца и составляет 57 %.

Рис. 2 - Диаграмма изменения пористости ткани суровье "Cotton Rich 180": 1 - контрольный образец; 2 - наномодифицированный образец

Для контрольного образца расшлихтованной ткани "Премьер Комфорт 250А" с пропиткой (состав 65% хлопок + 35 % полиэстер), пористость составляет 40 % (рис. 3).

Рис. 3 - Диаграмма изменения пористости расшлихтованной ткани "Премьер Комфорт 250А": 1 - контрольный образец; 2 - наномодифициро-ванный образец

Наномодифицирование расшлихтованной ткани артикул 18422Х коллоидным раствором наночастиц серебра и в потоке ННТП в режиме Рк=20-22 Па; Wр=4,0 кВт; т=1м/мин; ввозд=0,04г/с приводит к повышению показателя пористости и составляет 61 %. Наноструктурирование в потоке ННТП увеличивает показатель пористости расшлихтованной ткани артикул 18422Х "Премьер Комфорт 250А" на 24 % относительно контрольного образца.

Далее проведены исследования определения пористости материалов состава 100% хлопок. Исследовали образцы ткани "Премьер Cotton 300" (рис. 4). Как видно из диаграммы, пористость контрольного образца ткани суровье "Премьер Cotton 300" составляет 53 %. После обработки ткани суровье в потоке плазмы в режиме Рк=20-22Па; Wр=3.5кВт; т=2м/мин; ввозд=0,04г/с пористость наномодифицированного образца ткани суровье составляет 65 %. Обработка в плазме повышает показатель пористости на 23 % относительно контрольного образца.

Рис. 4 - Диаграмма изменения пористости ткань суровье "Премьер Cotton 300": 1 - контрольный образец; 2 - наномодифицированный образец

Проведены исследования образцов тканей состава 100% хлопок с антистатической нитью. Исследования показали, что пористость контрольного образца ткани суровье "Премьер FR-300" составляет 50% (рис. 5).

Пористость контрольного образца расшлихтованной ткани "Премьер FR-300", артикул 10202 АМ составляет 51%. Наномодифицирование образца коллоидным раствором наночастиц серебра и в потоке ННТП, в режиме Рк=20-22 Па; Wр=3,5 кВт; т=1м/мин; ввозд=0,04 г/с приводит к увеличению показателя пористости на 18 % по сравнению с контрольным образцом, что составляет 61 % (рис. 5).

Рис. 5 - Диаграмма изменения пористости расшлихтованной ткани «Премьер РЯ-ЗОО»: 1 - контрольный образец; 2 - наномодифицированный образец

Из полученных результатов можно сделать вывод, что наибольшим показателем пористости обладают наномодифицированные образцы текстильных материалов состава 100% хлопок и антистатическая нить. Проведены исследования определения показателя пористости сукна шинельного, артикул 6425 (состав 87 % хлопок + 17% полиэфир). Пористость контрольного образца сукна шинельного составляет 42%. После наномодифицирования образца коллоидным раствором наночастиц серебра и обработки ННТП в режиме ^^=4 кВт; Рк=22-29 Па; т = 1 м/мин; ввозд=0,04 г/с, показатель пористости повышается на 31 % относительно контрольного образца и составляет 55% (рис. 5).

Таким образом, после наномодифицирования текстильных материалов в потоке неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления, показатель пористости составляет от 45 до 66 %, что соответствует требованиям ТЗ не менее 40%. Натуральные ткани обладают более высоким показателем пористости, по сравнению со смешанными видами текстильных материалов.

При составлении лабораторного технологического регламента учитывался опыт работы. В лабораторном технологическом регламенте приведены требования к качеству наноструктурированных текстильных материалов, используемых в производстве.

В процессе исследования использовались ткани передового текстильного предприятия ООО «Чайковская текстильная компания». Результаты исследования проверены в производственных условиях, и их внедрение позволит совершенствовать технологию и повысить качества текстильной продукции.

'Проект выполняется в организации исполнителе (Получателе субсидии) при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в соответствии с требованием соглашения № '4.577.2'.00'9 о предоставлении

субсидии на проведение прикладных научных исследований. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) К¥ЫЕ¥1577'4Х00'9.

Литература

1. Хамматова В.В. Воздействие плазменной обработки на адгезионную прочность текстильных материалов / В.В.Хамматова, Е.В. Кумпан, И.Ш. Абдуллин // Модели инновационного развития текстильной и легкой промышленности на базе интеграции университетской науки и индустрии. Образование- Наука- Производство. Сборник статей I Межд. научно-практическая конференция. -Казань: КНИТУ, 2015. - С. 244-249.

2. Хамматова В.В. Разработка инновационных технологий производства многофункциональных натуральных материалов с управляемой микро-структурой. Монография / В.В. Хамматова, К.Э. Разумеев, И.Ш. Абдуллин. Казань: Изд - во КНИТУ, 2015.- 332 с..

3. Горберг Б.Л. Современное состояние и перспективы использования плазмохимической технологии для обработки текстильных материалов // Текстильная химия.-2003. - №1. - С.59-68.

4. Оулет, Р. Технологическое применение низкотемпературной плазмы / Р. Оулет, М. Барбье, П. Черемисинофф и др. / Пер. с англ. - М. : Энергоатомиздат, 1983. - 144 с.

© Л. А. Сафина - к.п.н., доцент кафедры Дизайна КНИТУ, lsafina@mail.ru; В. В. Хамматова - д.т.н., проф., зав. кафедры Дизайна КНИТУ; Л. М.Тухбатуллина - к.п.н., доцент той же кафедры, tuleissan@mail.ru.

© L. A. Satina - Ph.D., Associate Professor of the Department of Design, KNRTU, lsafina@mail.ru; V. V. Hammatova - Professor of the Department Design, KNRTU; L. M. Tuhbatullina - Ph.D., Associate Professor of the Department of Design, KNRTU, tuleissan@mail.ru.