Общие принципы модификации натуральных волокнистых материалов различного происхождения в плазме ВЧ-разряда пониженного давления

Э. Ф. Вознесенский, Р. Р. Хасаншин, И. В. Красина,

И. Ш. Абдуллин, Р. Р. Сафин, Л. И. Аминов

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МОДИФИКАЦИИ НАТУРАЛЬНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В ПЛАЗМЕ ВЧ-РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: кожевенные материалы, древесина, высокочастотная плазма пониженного давления, модификация, гигроскопичность, пористость, структура. tanning materials, wood, high-frequency plasma of the lowered pressure, updating, hygroscopicity, porosity, structure

В статье приведены данные экспериментальных исследований влияния ВЧплазменной обработки на структуру и свойства натуральных волокнистых материалов. В качестве объектов исследования выбраны образцы натуральной кожи и древесины. Установлено, что ВЧ плазменная обработка оказывает идентичное влияние на выбранные материалы, позволяя регулировать их гигроскопичность и пористость за счет модификации их внутренней микроструктуры при проведении объемной обработки.

The article contains data of experimental researches of influence of RF-plasma processing on structure and properties of natural fibrous materials. As objects of researches the samples of a natural leather and wood were chosen. It is established, that RF-plasma processing makes identical impact on the chosen materials, allowing to regulate their hygroscopicity and porosity by modification its internal microstructure during volume processing

Волокнистые материалы из натурального биологического сырья по прежнему пользуются устойчивым спросом и находят широкое применение. Использование данных материалов в производстве товаров широкого потребления является исторически сложившимся, даже не смотря на высокий современный уровень изготовления синтетических и искусственных волокон. Подобная тенденция связана с уникальным комплексом свойств материалов биологического происхождения, таких как высокая износостойкость, капиллярность, гигроскопичность, характерная фактура и расцветка.

В связи с высоким уровнем требований, предъявляемых современной промышленностью к материалам, актуальной является задача целенаправленной модификации материалов биологического происхождения и, прежде всего, физической модификации, не нарушающей их химического строения.

Отличительной особенностью натуральных волокнистых материалов биологического происхождения является их капиллярно-пористая структура. В ряде работ для физической модификации пористых структур предложен метод плазменной обработки в высокочастотном разряде пониженного давления [1, 2]. Преимуществом данного плазменного метода является возможность проведения модификации непосредственно в поровом объеме.

При помещении пластины пористого материала в плазму ВЧ-разряда пониженного давления, у поверхности образца образуются плазменные слои положительного заряда. В результате к материалу оказывается приложенной разность потенциалов до 80 В, при ам-

плитуде напряженности электрического поля (2,5-6,5)-10 В/м. Этого достаточно для инициации и поддержания несамостоятельного ВЧ разряда в капиллярах и порах, так называемый эффект объемной модификации. Модификация материала происходит за счет кинетического воздействия ионов плазмы на поверхность с энергией 30-100 эВ и модификации поровых пространств за счет рекомбинации ионов плазмообразующего газа при горении несамостоятельных ВЧ-разрядов, энергия данного воздействия составляет 12,4-25,2 эВ и зависит от применяемого плазмообразующего газа [3].

К натуральным высокомолекулярным волокнистым материалам относятся кожевенные материалы. Проведен комплекс экспериментальных исследований по установлению влияния ВЧ плазменной обработки на свойства натуральной кожи. В качестве объектов исследования использовалось кожевенное сырье, а также полуфабрикаты и хромовые кожи. Обработка образцов проводилась в аргоновой плазме ВЧ-разряда с варьированием входных параметров в диапазоне: частота генерации ( = 13,56 МГц; давление в разрядной камере Р = 13-27 Па; расход плазмообразующего газа О = 0,01-0,1 г/с; мощность разряда = 1-3 кВт; время обработки т = 1-10 мин.

Установлено, что после плазменной обработки повышаются сорбционные свойства материалов (рис. 1), происходит увеличение пористости (табл. 1). При плазменной модификации сырья и полуфабрикатов наблюдается интенсификация процессов выделки на 1530 %, увеличивается прочность на 10 %, при одновременно увеличении эластичности на 11-17 % [4].________________________________________________________________________

К

н ,

О <и О ч

2 о о и

и « о О

х

«

о

и

о

и

к

X

<и

£

X

т

70

60

50

х

3

и о а к

4 ч к

§20 « и

40

30

10

и

о

я

[3

а

ю

о

Сырье Полуфабрикат

Ш Контрольный  Опытный

0

Рис. 1 - Влияние ВЧ-плазменной обработки на значения двухчасовой намокаемости в дистиллированной воде образцов кожевенного сырья и полуфабриката Таблица 1 - Изменение пористости кожевенного сырья, голья и хромового полуфабриката КРС на стадиях технологического процесса

Образец Пористость, %

Сырье Дубленый полуфабрикат

Контрольный 5,2 54,07

Опытный 6,38 69,68

Подобное комплексное изменение свойств материала связано с изменениями его внутренней микроструктуры под действием ВЧ-плазменной модификации. Происходит изменение плотности укладки коллагеновых фибрилл, первичных и вторичных волокон, как следствие, изменяется пористость материала [5].

Полученные данные свидетельствуют о возможности применения ВЧ плазменной модификации волокнисто-пористых материалов схожего строения, при этом в зависимости от особенностей химического строения и механических свойств элементов микроструктуры потребуется подбор входных параметров плазменной обработки.

В качестве еще одного натурального волокнисто-пористого материала рассмотрена древесина. Для экспериментов выбраны образцы древесных отходов хвойных и лиственных пород. Обработка образцов проводилась в ВЧ-плазме, в качестве плазмообразующего газа использовался аргон и воздух, входные параметры установки варьировались в следующем диапазоне: } = 13,56 МГц; Р = 13-130 Па; О = 0,01-0,1 г/с; 1/Ур = 1-3 кВт; т = 110 мин.

После обработки ВЧ-плазмой образцы взвешивались. Одна часть партии использовалась для изготовления древесных композитов на основе портландцемента, а другую помещали в эксикатор с влажностью среды 92 %, где образцы выдерживались в течение 25 суток для определения гигроскопичности. Зависимость изменения массы образцов от времени выдержки во влажной среде представлена на рис. 2.

й

Я

а

ю

о

й

о

Продолжительность выдержки, сут. Контрольный Опытный

Рис. 2 - Изменение массы образца древесины от продолжительности выдержки во влажной среде

Установлено повышение гигроскопических свойств у модифицированных образцов на 50 %. Исследование древесных композитов, созданных на основе модифицированной в ВЧ плазме древесины показало повышение адгезии между древесиной и цементом до 45 %.

Электронно-микроскопические исследования образцов древесины свидетельствуют об изменении их волокнистой микроструктуры (рис. 3). Наблюдается расщепление отдельных волокнистых элементов и получение развитой пористой структуры. _

Рис. 3 - Микрофотографии образцов древесины: а, б - хвойных пород; в, г - лиственных пород; а, в - контрольные образцы; б, г - образцы, прошедшие ВЧ-плазменную обработку

Представленные данные свидетельствуют о наличии общих принципов при физической ВЧ-плазменной модификации натуральных волокнисто-пористых материалов, таких как натуральная кожа и древесина, что позволит целенаправленно изменять технологические и эксплуатационные свойства материалов. В основе модификации лежит преобразование микроструктуры за счет реализации эффекта объемной обработки.

Литература

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

2. Абуталипова, Л.Н. Физические основы взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с капиллярно-пористыми полимерными материалами лёгкой промышленности / Л.Н. Абуталипова. - Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та, 1997. - 168 с.

3. Абдуллин, И. Ш. Высокочастотная плазменная обработка в динамическом вакууме капиллярнопористых материалов. Теория и практика применения: монография / И.Ш. Абдуллин, Л.Н. Абуталипова, В.С.Желтухин, И.В.Красина. - Казань: Изд-во Казанского гос. ун-та, 2004. - 427с.

4. Кулевцов, Г.Н. Улучшение технологических свойств кожевенного сырья путем применения ВЧ-плазмы пониженного давления / Г.Н. Кулевцов [и др.] // Кожевенно-обувная промышленность. -2009. - №6. - С. 41.

5. Абдуллин, И.Ш. Моделирование микроструктуры кожевенного материала на стадиях производства и при ВЧЕ-плазменной обработке: монография / И.Ш. Абдуллин [и др.]. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. - 229 с.

© Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; Р. Р. Хасаншин - канд.техн.наук, доц. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ; И. В. Красина - д-р техн. наук, проф.каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав.каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; Р. Р. Сафин - д-р техн.наук, проф., зав.каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ; Л. И. Аминов - ассистент каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ. Б-таП:тпа_кга8та@тай.ги.