Влияние ВЧЕ-плазменной обработки на физико-механические свойства стекловолокна

УДК 533.9: 666.189.21

И. Ш. Абдуллин, Р. Г. Ибрагимов, В. В. Парошин

ВЛИЯНИЕ ВЧЕ-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛОВОЛОКНА

Ключевые слова: модификация,стекловолокно, плазма, гидрофильность, гидрофобность,гигроскопичность.

Установлено, что после обработки в высокочастотной емкостной плазме пониженного давления стекловолокно увеличивает показатели физико-механических свойств. Предложен метод изготовления стекловолокна с применением плазменной обработки.

Keywords: modification , fiberglass, plasma, hydrophilicity, hydrophobicity, hygroscopicity.

Found that after processing in the high-capacitance low-pressure plasma increases fiberglass physic-mechanical properties. We propose a method for the manufacture offiberglass using plasma treatment.

Введение

Стекловолокно - волокно или комплексная нить, формуемые из стекла. В такой форме стекло демонстрирует необычные для стекла свойства: не бьётся и не ломается, а вместо этого легко гнётся без разрушения.

Непрерывное стекловолокно применяются главным образом для изготовления текстильных материалов и изделий (нитей, лент, тканей и нетканых материалов) в различных отраслях техники.

Штапельное стекловолокно в процессе его получения формируется в виде ваты, матов и холстов, скрепляемых органическим связующим. Эти материалы используются для тепло-, звуко- и электроизоляции, для антикоррозионной защиты, фильтрации химически агрессивных

высокотемпературных сред.

Из него изготавливают материалы с отличными -электро, -тепло и звукоизоляционными свойствами. Стекловолокно способно пропускать свет, обладает полупроводниковыми свойствами, прозрачно для радиоволн, и поглощает рентгеновские и более короткие лучи.

Из за своих уникальных свойств стекловолокно используется в электротехнической, судостроительной промышленности, в

машиностроении, автомобилестроении, в строительстве, медицинской, легкой

промышленности и на железнодорожном транспорте.

Все стеколоволокно условно можно разделить на два больших класса: дешевые волокна общего применения и дорогостоящие волокна специального применения. Почти 90 % всех стеклянных волокон, которые выпускаются сегодня в мире это стекловолокно марки Е [1]. Подробно требования к таким волокнам изложены, например, в стандарте ASTM D578-98. Остальные 10% процентов - это волокна специального назначения (табл. 1,2).

Большинство марок стекловолокна получили свое название благодаря своим специфическим свойствам:

- Е (electrical) - низкой электрической проводимости;

- S (strength) - высокой прочности;

- C (chemical) - высокой химической стойкости;

- M (modulus) - высокой упругости;

- А (alkali) -высокое содержание щелочных металлов, известково-натриевое стекло;

- D (dielectric) - низкая диэлектрическая проницаемость;

- AR (alkali resistant) - высокая щелочестойкость.

Среди множества полезных функций, которыми обладает стекловолокно, можно выделить следующие:

- защита от жары/холода (благодаря способности волокна прочно удерживать воздух, обладающий прекрасными теплоизолирующими свойствами и защищающий от жары летом и от холода зимой);

- надежная защита от шума (благодаря высоким звукопоглощающим характеристикам изделий из стекловолокна, чему способствует материал, состоящий из волокон, связанных друг с другом, промежутки между которыми полностью заполнены воздухом).

- его негигроскопичность (способность быстро впитывать и отдавать влагу);

- упругость материала, позволяющая транспортировать его на значительные расстояния в рулонах, а также его способность быстро приобретать исходные параметры после вскрытия упаковки;

- экологичность (не выделяют вредных веществ и абсолютно безопасны для здоровья);

- обработка материалов из стекловолокна специальными составами исключает появление плесени на их поверхности;

- устойчивость к химическому и биологическому воздействию;

- высокая прочность при растяжении.

Однако есть определенные недостатки

стекловолокна:

- малое удлинение и как его следствие, хрупкость;

- нестойкость к истиранию;

- большая плотность, 2500 кг/м3;

Таблица 1 - Химический состав некоторых стекол для получения непрерывного волокна

Тип волокна Состав, масс. %

SiO2 B2Oз CaO MgO ZnO ТО2 ZrO2 Li2O Fe2Oз

Е (с бором) 52-56 4-6 12-15 21-23 0,4-4 - - 0,2-0,5 0-1 0-0,2 - 0,2-0,5 0,2-0,7

Е (без бора) 59-60 - 12-13 22-23 3-4 - - 0,5-1,5 0,6-0,9 0-0,2 - 0,2 0,1

S 60-65,5 - 23-35 0-9 6-11 - - 0-1 0-0,1 - - 0-0,1 -

AR 58,3-60,6 - 0,2 - - - 0-2,8 18,1-21,2 13,014,1 0-2,8 - - -

ECR 58,2 - 11,6 21,7 2 2,9 2,5 - 1 0,2 - 0,1 -

D 72-75 2124 0-1 0-1 0,5-0,6 - - - 0-4 0-4 - 0,3 -

Кварц 99,5-99,9 - - - - - - - - - - - -

Базальт 47,5-55,0 - 14,0-20,0 7,0-11,0 3,0-8,5 - 0,3-2 - 2,5-7,5 2,5-7,5 - 7,0-13,5 -

Таблица 2 - Физико-механические свойства некоторых марок стеклянного волокна

Свойство Тип волокна

Е (с бором) Е (без бора) S AR ECR D Кварц Базальт

Температура формования, °С 11601196 1260 1565 1260-1300 1213 -1235 2300 1350 - 1450

Температура размягчения, °С 830-860 916 1056 880 770 1100 - 1200

Температура плавления, °С 10661077 1200 1500 1180 - 1200 1159-1166 1670 1200 - 1300

Плотность, г/см3 2,54-2,55 2,62 2,48-2,49 2,6-2,7 2,66-2,68 2,16 2,15 2,67

Коэффициент шнейного расширения 10"6С"1 4,9-6 6 2,9 7,5 5,9 3,1 0,54 -

Диэлектрическая постоянная (20 С, 1 МГц), Ф/м 5,86-6,6 7 4,53-4,6 5,86-6,6 3,56-3,62 3,78 -

Прочность, МПа 31003500 3100-3500 4380-4590 3100-3500 3100-3500 2410 3400 2700 - 350С

Модуль упругости, ГПа 76-78 80-81 88-91 72-74 80-81 52 69 70-90

Удлинение до разрыва, % 4,5-4,9 4,6 4,5-4,9 2-2,4 4,5-4,9 5 3

В качестве объектов исследования было выбрано стекловолокно (ГОСТ 6943-94) которое используется в производстве каркаса трубчатого ультрафильтра.

Дренажный каркас ультрафильтра рассматривается как композиционный материал, состоящий из адгезива - клеевой составляющей (эпоксидная смола ЭД-20) и субстрата -стекловолокно.

По сравнению с другими методами обработки поверхности высокочастотная емкостная плазменная технология имеет следующие преимущества [2,3]:

-экологичность, т. к. вредные вещества не используются для обработки и не образуются в виде побочных продуктов;

-обеспечение воспроизводимых результатов благодаря использованию программируемого регулятора процесса;

-автоматизация и интегрируемость в технологические линии;

-щадящее воздействие на композиционные материалы из-за отсутствия значительной температурной нагрузки;

-отсутствие воздействия агрессивных химикатов на обрабатываемые материалы.

Экспериментальные результаты по модификации физико-механических свойств стекловолокна были получены на ВЧЕ-плазменной установке [4]. В качестве плазмообразующего газа применялся чистый аргон, либо смесь аргона с воздухом, азотом, пропаном и бутаном. Модифицированное стеколоволокно помещалось в камере на специальных подставках. Время обработки стеколоволокна плазмой изменялось в диапазоне от 1 до 15 мин. Расход плазмообразующего газа через разрядную камеру был равен G=0.04 г/с, давление Р =26,6 Па, напряжение изменялось от 1,5 до 7,5 кВ.

Для установления закономерностей изменения физико-механических характеристик испытуемых образцов применялась разрывная машина РМ-50. Изучались изменения следующих

характеристик механических свойств испытуемых материалов:

- относительная разрывная нагрузка.

- капиллярность

На рис 1. приведены данные о влиянии времени воздействия плазмы на относительную разрывную нагрузку стекловолокна. Максимальное ее значение достигается при времени обработки 1=3 мин. и напряжении и=5 кВ, силе тока 0,35 А, плазмообразующий газ Аргон.

В]>«1Я оэряовтон.мнв

Рис. 1 - Влияние времени обработки плазмы на относительную разрывную нагрузку

стекловолокна

На рис. 2 представлено изменение капиллярности стекловолокна, обработанного ВЧЕ-плазмой пониженного давления.

X 0 5 10

Время обработки.мми

Рис 2 - Изменение показателя капиллярности стеклоткани, обработанной в плазмообразующем газе аргон+воздух в разных режимах

При обработки стекловолокна ВЧЕ плазмой пониженного давления относительная разрывная нагрузка волокна увеличилась на 200МПа при времени обработки 1=3 мин., 1=0,35А, и=5 кВ.

Максимальная капиллярность стекловолокна достигается в режиме 1=0,35А; и=5 кУ, 1=7 мин и составляет 96% по сравнению с необработанными образцами.

Технология получения стекловолокна состоит из следующих операций (рис. 3) [5]:

- подготовка и подача шихты в стеклоплавильный сосуд.

- плавление шариков и эрклеза и подготовка стекломассы к формованию.

- заправка грубых волокон.

- формование волокон.

- охлаждение волокон.

- нанесение на волокна замасливателя и соединение их в нить.

- раскладка и намотка нити.

Рис. 3 - Технология изготовления стекловолокна

На основании проведенных исследований предлагается в технологии изготовления стекловолокна применение ВЧЕ плазмы перед операцией раскладка и намотка нити.

Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Наноматериалы и нанотехнологии» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по госконтракту 16.552.11.7060.

Литература

1. С.И. Гутников, Б.И. Лазоряк, А.Н. Селезнев, Стеклянные волокна, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва, 2010. 53 с.

2. И.Ш. Абдуллин, Р.Ф. Ахвердиев, М.Ф. Шаехов, Вестник Казанского технологического университета, 2, 348-353 (2003).

3. И.Ш. Абдуллин, М.Ф. Шаехов, Вестник Казанского технологического университета, 1, 75-78 (2002).

4. И.Ш. Абдуллин, Е.С. Нефедьев, Р.Г. Ибрагимов, В.В. Парошин, Вестник Казанского технологического университета, 3, 50-54 (2012).

5. М.Д. Ходаковский, Производство стеклянных волокон и тканей. Химия, Москва, 1973. 302 с.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ПНТВМ КНИТУ, tkim1@kstu.ru; Р. Г. Ибрагимов - канд. техн. наук, докторант той же кафедры, modif@inbox.ru; В. В. Парошин - асп. той же кафедры, dulchi_vlad@mail.ru.