Влияние потока плазмы на микроструктуру и свойства текстильных материалов для проектируемых моделей одежды

И. Ш. Абдуллин, Э. А. Хамматова, В. В. Хамматова

ВЛИЯНИЕ ПОТОКА ПЛАЗМЫ НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОЕКТИРУЕМЫХ МОДЕЛЕЙ ОДЕЖДЫ

Ключевые слова: материал, модификация, плазма, формуемость, одежда.

Рассмотрено влияние потока плазмы ВЧЕ - разряда пониженного давления на структуру и свойства текстильных материалов, из которых проектируются современные модели одежды.

Keywords: material modification, plasma, formability, and clothes.

The effect of the plasma VChE discharge of low pressure on the structure and properties of textile materials, of which current models are designed clothes.

Авангардное направление в проектировании моделей одежды - это радикальное новаторство в формах и конструкциях изделий, в частности с использованием новых, ранее не применявшихся материалов и технологий, это поиск принципиально нового их образа, а главное - новых, непривычных, но достаточно разумных взаимодействий между изделием и человеком. В соответствии с этим форма и конструкция изделий, прежде всего, должны вытекать из возможностей материала и его свойств. Изделия, даже хорошие по композиционному замыслу, не только оказываются непригодными по внешнему виду, но и часто утрачивают свои утилитарные свойства при выполнении их форм без учета свойств материалов. Часто при этом новый материал влечет за собой серьезные изменения в конструкции и технологии изготовления изделия. Одной и той же форме могут соответствовать различные текстильные материалы, составляющие пакет одежды. В практическом моделировании современной модели одежды в одних случаях ткань «подсказывает» форму, в других случаях от формы ведут поиск новой ткани. Поэтому форма изделия зависит не только от покроя, сколько от того, как ведет себя ткань. Часто при этом новый материал влечет за собой серьезные изменения в конструкции и технологии изготовления изделия.

В процессе проектирования одежды должно обязательно учитываться направление нити основы, так как в процессе влажно-тепловой обработки и эксплуатации швейных изделий детали одежды испытывают различного рода деформации, связанные с изменением их пористой структуры и, как следствие, изменением линейных размеров (усадки), связанных с анизотропностью материалов.

На форму одежды значительное влияние оказывают структура, гибкость и упругость материалов, и такие эксплуатационные характеристики, как жесткость, драпируемость, сминаемость и несминаемость. Устойчивость текстильных материалов к истиранию влияет не только на внешний вид одежды, но и ее долговечность. Эти же показатели отражаются на эстетичности одежды и технологических показателях материалов. Следует отметить, что в последнее время в одежде просматривается определенная тенденция предпочтения удобства и комфортности в эксплуатации, т.е. человек создает нужную форму и сам управляет ею. Уникальная, выразительная по форме и пластике одежда создается на основе тканей с новыми

видами обработки [1].

В настоящее время в КГТУ проводятся теоретические и экспериментальные исследования по разработке технологий получения формоустойчивых текстильных материалов с использованием потока плазмы высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда [2]. В работе рассмотрены вопросы воздействия низкотемпературной плазмы на текстильные материалы, обработанные в различных режимах при определенных энергетических параметрах и длительности обработки с целью улучшения эксплуатационных характеристик и внешнего вида готовых швейных изделий.

Модификация текстильных материалов потоком плазмы ВЧЕ-разряда оказывает существенное влияние на изменение внутренней структуры обрабатываемых материалов. Волокна разрыхляются, увеличивается поверхность взаимодействия между ними, за счет чего повышается их цепкости, степень кристалличности, плотность упаковки в аморфных зонах кристаллизующихся полимеров, что соответственно влияет на весь комплекс механических свойств исследуемых тканей.

Результаты работы и их обсуждение

Исследование влияния потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на микроструктуру поверхности волокон и тканей исследовалась на сканирующем электронном микроскопе 1БМ-6460ЬУ совмещенного со спектрометром энергетической дисперсии фирмы ГЫСА-300 при увеличении от 100 до 3000 раз. Волокна обрабатывали в потоке плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления при Р=33 Па; 0Аг = 0,04 г/с; Рр = 1,7кВт; 1 = 180с.

Как показали результаты микроскопического анализа поверхности текстильных материалов, в процессе плазменного воздействия происходят морфологические изменения поверхности немонолитных образцов, приведенные на (рис.1-2). Микроснимки свидетельствуют, что после воздействия потока ВЧЕ-разряда пониженного давления изменяются поперечный размер волокна и микрорельеф поверхности. Степень и характер изменения зависит от химического строения, структуры полимера и природы волокон. В целом, после воздействия потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления, поверхность льняного волокна выглядит более рыхлой, увеличивается пористость, то есть суммарный объем всех видов пор внутри волокон, нитей и между нитями. Таким образом, изменяется внутренняя структура обрабатываемых материалов. Поперечное сечение увеличивается незначительно, его проекция на плоскость возрастает на 3-15% (рис.1б).

Рис. 1 - Микрофотографии льняного волокна: а - до обработки в ВЧЕ - разряде х 300; б - после обработки в ВЧЕ разряде х 300

Для целлюлозосодержащих волокон характерно их расщепление и разволокнение в ВЧЕ разряде (рис.1б - 2б). Размеры трещин и углублений, образующихся на поверхности вдоль оси волокна, определяются при одинаковых параметрах плазменной обработки, видом волокна.

Рис. 2 - Микрофотографии хлопкового волокна: а - до обработки в ВЧЕ-разряде х 2500; б - после обработки в ВЧЕ-разряде х 2500

Так, например, на поверхности волокон льна и хлопка образуются короткие и широкие трещины, которые распределены по длине и периметру волокна неравномерно. На микроснимке видны отдельные пучки фибрилл, видна их скрученность. Они как бы образуют сетку с разными углами наклона к оси волокна и ориентированы крест на крест.

Трещины, образующиеся на поверхности хлопкового волокна, более глубокие и длинные, происходит разделение волокон (рис. 2б). Волокно разделяется на субэлементы в направлении его оси. Проекция поперечного сечения волокна на плоскость увеличивается в 2 раза. Поскольку после обработки нити разрыхляются, увеличивается поверхность взаимодействия между ними, за счет чего повышается коэффициент трения между волокнами и цепкости волокон и, как следствие, способствуют упрочнению и очистки поверхности тканей.

Анализ дифрактограмм показывает, что имеются три тенденции в изменении дифракционных кривых после обработки полимера плазмой: во-первых, появляются или исчезают кристаллические пики над аморфными гало; во-вторых, некоторые кристаллические пики расщепляются на два пика; в-третьих, несколько изменяется угол рассеивания кристаллических пиков, величина изменения зависит от времени воздействия плазмы. Максимальное отклонение угла рассеивания составляет 0,45 градусов, а межплоскостных расстояний 0,35А.

Согласно условию Вульфа - Брэгга межплоскостное расстояние определяется по формуле:

d=^ /

где Я - длина волны рентгеновского излучения; 9 -угол скольжения (угол между падающим углом и отражающей плоскостью).

Кроме того, что после обработки волокон потоком плазмы ВЧЕ-разряда, весьма существенно увеличилась их кристалличность, что выявлено по уменьшению полуширины

дифракционного максимума с межплоскостным расстоянием 3,898А, а также увеличению степени разрешенности дифракционных максимумов в области межплоскостных расстояний 5,9 - 5,3А.

Как показали исследования, за счет увеличения степени кристалличности волокон, плотности упаковки в аморфных зонах кристаллизующихся полимеров, улучшается весь комплекс физико - механических и релаксационных свойств исследуемых тканей.

Предварительные эксперименты показали, что кратковременная обработка в потоке плазмы в течение 120 — 180 с позволяет увеличить к прочность нитей: льняных — на 70%, хлопковых — на 60%, шерстяных — на 24%. Увеличение времени воздействия до 720 с не приводит к дальнейшему повышению прочности волокна.

Минимальное значение относительного удлинения нитей (дРн) наблюдается при 0=0,01 г/с. Достигнув при 0=0,04 г/с максимального значения, дРн снова начинает уменьшаться. Эффект воздействия плазменным потоком выше на 8 — 30% в расходном режиме аргона, чем в воздухе, что зависит от природы волокна и входных параметров установки ВЧЕ-разряда пониженного давления.

Анализ экспериментальных данных показал, что изменение расхода плазмообразующего газа в диапазоне от 0=0 до 0,07 г/с незначительно влияет на величину разрывной нагрузки целлюлозосодержащих и шерстяных нитей. Разрывная нагрузка достигает максимального значения при Рр=1,1 кВт, что зависит от состава нитей, вида и расхода плазмообразующего газа. Эффект воздействия при обработке в расходном режиме (0 =

0,04 г/с) проявляется в большей степени, чем в безрасходном режиме(0=0) в зависимости от состава плазмообразующего газа. При обработке нитей в аргоне диапазон максимального изменения дРн в разряде ограничен величиной (1,0^1,1) кВт. С увеличением Рр от 1,2 кВт и выше наблюдается деструкция материала. Величина разрывной нагрузки льняных нитей после обработки в плазме аргона увеличивается больше, чем в воздушной плазме во всем диапазоне изменения мощности разряда.

Для оценки влияния параметров потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на способность текстильных материалов к формообразованию определяли по разрывной нагрузке (Рн) и относительному разрывному удлинению (£р) под углами в =00, в =450и в = 900к основе (рис. 3-4).

Как показали исследования, под воздействием потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления изменение деформации растяжения, формы и размеров ячеек модифицированных образцов под разными углами различно. Наибольшее изменение относительного разрывного удлинения до и после обработки плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления характерно для тканей под углом 45 к нити основы, в результате чего, прямоугольные ячейки превращаются в параллелограммы. В этом случае, чем больше длина перекрытий и меньше число связей контакта, тем больше подвижность тканей.

На рис.3 представлены кривые, характеризующие разрывную нагрузку полушерстяных тканей с содержанием полиэфирных волокон в различных направлениях: по основе в =00 и под углами в =150, в =300, в =450, в =600, в =750, в =900 к нитям основы.

Наряду с повышением относительного разрывного удлинения, разрывная нагрузка модифицированных тканей под углами от 150 до 750 к нити основы уменьшается в тканях полотняного переплетения на 13-17% и на 19 - 30% в тканях саржевого переплетения. Под углом 450 нити напрягаются больше, и разрывная нагрузка уменьшается в тканях полотняного переплетения на 13-17% и в тканях саржевого переплетения на 19 - 30%, а под углами 300и 600 нити напрягаются меньше, в основном это обусловлено переплетением тканей.

Разрывная нагрузка полушерстяной ткани, II -о- контрольный образец

модифицированный образец

Разрывное удлинение полушерстяной

таани, £р,мм

-о- контрольный образец

модифицированный образец

Рис. 3 - Диаграмма разрывной нагрузки полушерстяных тканей при растяжении в различных направлениях

Рис. 4 - Диаграмма разрывного удлинения полушерстяных тканей при растя жении в различных направлениях

На основе исследований установлено, что под углом 450 к нити основы в тканях полотняного переплетения после воздействия ВЧЕ-плазмы относительное разрывное удлинение чистошерстяных волокон увеличивается на 24% , а в полушерстяных тканях с содержанием ПЭ волокон (в составе шерсть - 30% и ПЭ - 70%) 8р увеличивается на 29,8%.

Сложный характер деформации вызывает неравномерность удлинения отдельных участков образцов. Под углом 150 к нити основы в полушерстяных тканях удлинение увеличивается от 12,2 % до 22,5%. Под углами 30° и 600 к нити основы удлинение увеличивается от 19,35% до 28%; под углом 750 к нити основы в шерстесодержащих от 23,2 до

23,6%. 0

Таким образом, относительное удлинение тканей под углом 150 к нити основы меньше, чем под углами 300, 450, 600 и 750, так как возможность распрямления продольных нитей ограничена, и при распрямлении нити напрягаются, поэтому при разгрузке быстро релаксируют; в основном это обусловлено видами волокна и переплетением тканей.

Заключение

Установлен оптимальный диапазон изменения значений параметров обработки потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления, в пределах которого происходит изменение структуры и механических свойств текстильных материалов: расход плазмообразующего газа аргона и воздуха от 0 до 0,05 г/с; продолжительность обработки - т=60 - 180с; давление в рабочей камере от 26 до 53 Па; частота поля - 1=13,56 МГц и мощность разряда от 0,2 до 2,0 кВт.

Эксперименты показали, что на формуемость тканей оказывают влияния не только режимы обработки плазмой ВЧЕ разряда, но и волокнистый состав, толщина нитей, а также переплетение. Наименьшую формуемость имеют ткани полотняного переплетения с короткими, частыми перекрытиями; наибольшую саржевого переплетения с длинными перекрытиями.

В соответствии с улучшением формуемости текстильных материалов плазменной обработки можно проектировать и создавать модели сложных форм и конструкций. Созданные изделия на основе модифицированных материалов сохраняют свой внешний вид и не утрачивают свои утилитарные свойства.

Литература

1. Юферова Л.В. Исследование и оценка формообразующих способностей тканей различного волокнистого состава / Л.В.Юферова, Т.М.Иванцова, Н.А.Смирнова // Актуальные проблемы подготовки специалистов для сферы сервиса. - Омск: Изд-во ОГИС, 2003. - С.87 - 90.

2. Абдуллин, И.Ш. Влияние потока низкотемпературной плазмы на свойства текстильных материалов (монография) / И.Ш. Абдуллин, В.В. Хамматова. - Казань: Изд - во Казан. ун -та, 2003. -216 с.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, abdullin_i@kstu.ru; Э. А. Хамматова - студ. КГТУ; В. В. Хамматова - д-р техн. наук, проф., зав. каф. дизайна КГТУ, venerabb@mail.ru.