Влияние потока плазмы на микроструктуру и свойства полимеров

Е. В. Слепнева, И. Ш. Абдуллин, В. В. Хамматова

ВЛИЯНИЕ ПОТОКА ПЛАЗМЫ

НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

Ключевые слова: электрофизическая модификация, низкотемпературная плазма, шерсть

овечья, кератин, разрывная нагрузка.

Обработка неравновесной низкотемпературной плазмой приводит не только к морфологическим изменениям структур шерстяного волокна, но и одновременно с этим происходит их глубокая наноструктурная трансформация. Данный вид разряда позволяет осуществлять объемную обработку на различных стадиях первичной обработки шерсти. Обработка плазмой заменяет жидкостные процессы на сухие, что приводит к сокращению расхода химматериалов, воды, энергоресурсов, уменьшению себестоимости конечной продукции, дает производству очевидные экологические преимущества.

Keywords: electrophysical modification, low-temperature plasma, sheep wool, keratin,

breaking force.

Processing with nonequilibrium low-temperature plasma leads not only to morphological changes in wool fiber. At the same time a deep nano-structural transformation occurs. This kind of discharge permits to perform 3-D machining at various stages of wool primary processing. Processing with plasma replaces wet processes for dry, which leads to decrease of consumption of chemicals, water, power resources, reduces production cost of the product, provides some evident environmental advantages.

Из современных текстильных материалов шерсть и шелк относятся к природным белковым волокнам [1]. Белки - природные полимеры или биополимеры, построены из остатков аминокислот, связанных в длинные цепи посредством пептидных связей[2].

Одним из путей повышения качества шерстяного волокна в процессе первичной обработки шерсти является применение новейших технологий. Развитие традиционных методов обработки связано с существенным удорожанием технологии производства шерстяных волокон и не приводит к значительному эффекту повышения их качества.

В последние годы особую значимость приобретают электрофизические методы, как наиболее эффективные и экономичные, а в некоторых случаях и единственно возможные. Наиболее перспективной электрофизической модификацией является воздействие потока плазмы ВЧЕ - разряда пониженного давления на наноструктуру натуральных высокомолекулярных материалов с целью получения заданных свойств. Преимущество такого метода заключается в незначительном количестве химических превращений на обрабатываемой плазмой поверхности и объеме тела, а также неизменности химического состава полимера [3].

Целью работы является исследование влияния воздействия высокочастотной плазмы на прочность шерстяного волокна в процессе первичной обработки.

Прочность волокон имеет большое значение для их использования в производстве: шерсть, не имеющую достаточной прочности, даже при нужной длине и тонине, не принимают для выработки основы, а используют для выработки утка; слабую по прочности шерсть нельзя перерабатывать в камвольной системе прядения [4].

В качестве объекта исследования была выбрана шерсть овечья немытая мериносовая I длины, полутонкая, полугрубая высшего сорта 1 длины. Модификация шерсти выполнялась на высокочастотной плазменной установке, созданной в Казанском государственном технологическом университете, с частотой генератора 13,56 МГц, напряжение на аноде иа =1,5 кВ, ток анода 1а = 0,3 А, давление в вакуумной камере Р = 26,6 Па, время обработки 1 = 1, 3, 5, 7, 9 мин., расход плазмообразующего газа 0= 0,04 г/с, в качестве плазмообразующего газа использовался аргон.

Определение разрывной нагрузки осуществлялось на динамометре ДШ - 3М в соответствии с ГОСТ 20269 - 93.

Лабораторные пробы немытой шерсти промывали в двух бачках в мыльно-содовом растворе при температуре воды 45 -50оС. Мыльно - содовый раствотр содержал 2г. 60%-ного мыла и 3 г. Кальцинированной соды в 1 дм3 воды. Шерсть промывали вручную в течение 2 - 3 мин. В каждом бочке, несколько раз погружая в раствор и вынимая из него пробу. При этом шерсть отжимают руками, не нарушая сроения штапелей. В третьем бачке шерсть прополоскали в чистой воде при температуре 38 - 40о С. Пробу высушивали в сушильном шкафу при температуре 60 - 70оС около 1ч. Затем пробу мытой шерсти разделили на отдельные штапельки; каждый штапелек прочесали металлическим гребнем для параллелизации волокон. Прочесанные штапельки в распрямленном от извитости состоянии вырезали 30 пучков, из которых пять являлись запасными, длиной 25 мм и массой 3 - 4 мг каждый.

Разрывную нагрузку определяли разрывом 25 пучков волокон. Если при испытании отдельные волокна выползали из зажима, то результат испытания этого пучка не учитывался - вместо него испытывали запасной пучок волокон. После разрыва всех пучков волокна тщательно были собраны пинцетом в бюксу и взвешены на аналитических весах с погрешностью не более ±0,1 мг.

Относительную разрывную нагрузку Ро в сантиньютонах/текс вычисляли по формуле:

где XР — сумма показаний шкалы разрывных нагрузок пучков, гс; - масса всех

испытаний пучков, мг.

За окончательный результат испытаний принимали среднее арифметическое результатов испытаний двух лабораторных проб. Если расхождение между результатами испытаний двух лабораторных проб превышали 1 сН/текс, проводили испытания третьей лабораторной пробы. За окончательный результат принимали среднее арифметическое результатов испытаний трех лабораторных проб. Полученные результаты представлены в таблице 1.

В результате модификации мериносового, полутонкого и полугрубого шерстяного волокна потоком плазмы ВЧЕ - разряда пониженного давления в течение 1 минут повышается прочность на разрыв на 9,1% у мериносового; на 31,6% у полутонкого и на 76,7% у полугрубого волокна.

Р

о

Таблица 1 - Влияние длительности обработки низкотемпературной плазмой

№ образца Характеристика образца и условий обработки (1, мин) Разрывная нагрузка, сН/текс

Меринос П/тонк. П/ груб.

1 Исходная шерсть 4,95 6,26 7,13

2 Шерсть, обработанная НТП, 1=1 мин. 5,40 8,24 12,60

3 Шерсть, обработанная НТП, 1 =3 мин. 3,19 7,13 11,31

4 Шерсть, обработанная НТП,1 = 5 мин. 3,70 6,86 9,46

5 Шерсть, обработанная НТП,1 =7 мин. 3,96 5,73 8,44

6 Шерсть, обработанная НТП,1 =9 мин. 4,10 5,40 8,22

В результате теоретических исследований установлено, что распределение ионов по глубине полимера шерсти является экспоненциальным, причем показатель экспоненты пропорционален пористости материала. Зависимость количества частиц, достигших определенной глубины от пористости, близка к квадратичной. Таким образом, заряженные частицы из плазмы могут проникать в полимер шерсти на 10 нм, образуя модифицированный нанослой.

Следует учесть что, на поверхность материала в ВЧ-плазме пониженного давления поступает постоянный поток ионов и импульсно периодический поток электронов. Причем электроны на противоположные стороны образца поступают в противофазе. Следовательно в натуральном шерстяном волокне полимера шерсти создается переменное электрическое поле, амплитуда напряженности которого оценивается величиной ~105 В/м.

В результате в порах и капиллярах возникает пробой с образованием заряженных частиц. При рекомбинации этих частиц на поверхности пор и капилляров выделяется энергия, которая передается поверхностным молекулам белка, что и приводит к объемной модификации клетки коркового слоя шерстяных волокон натуральных полимеров.

В ВЧЕ-разряде реализуется эффект объемной модификации капиллярно - пористого материала, за счет возникновения разряда в порах. Основным материалом стенок микропоры исследуемых объектов является кератин. Учитывая разницу в плотности газовой среды и кератина, можно считать, что диэлектрическая проницаемость газовой среды много меньше диэлектрической проницаемости микропоры. В силу общих свойств диэлектрических сред, электрическое поле в газовой среде внутри микропоры меньше, чем поле, создаваемое аналогичным зарядом в вакууме; электрическое поле в стенке микропоры меньше поля внутри микропоры. Это означает, что распределение электрического поля внутри капиллярно-пористого тела сильно неоднородно; поле концентрируется преимущественно в микропорах. Из плазмы на поверхность капиллярнопористого тела поступают потоки заряженных частиц - импульсно-периодический поток электронов (в момент касания электронным облаком поверхности тела) и непрерывный поток ионов.

В результате происходит плотное структурирование кератина, упорядочение структуры и увеличение кристаллической фазы. Кроме того, внутри микропоры существует газовая среда, основным компонентом которой является используемый плазмообразующий инертный газ (аргон), т.е. создаются условия для возникновения

пробоя газа, поскольку: а) в газе возникают свободные носители заряда, т.е. возникает проводимость; б) в микропоре существует электрическое поле, сообщающее этим носителям направленное движение. Основным источником свободных электронов и ионов внутри микропоры является сам газ, наполняющий ее.

Газ первоначально ионизуется за счет потока ионов, поступающих из плазмы, и вторичных электронов, выбиваемых ионами со стенок микропор в течение первых нескольких периодов колебаний поверхностных зарядов в электрическом поле в такой степени, что ионизация атомов на данной глубине становится маловероятной. В закрытых микропорах ионизация газа происходит в моменты наиболее высоких значений электрического поля. Следовательно, при обработке капиллярно-пористых тел в плазме ВЧ разряда внутри поддерживается несамостоятельный импульсно-периодический разряд. В результате в порах и капиллярах возникает пробой с образованием заряженных частиц.

Ионы, возникающие в процессе несамостоятельной ионизации газа внутри микропоры, попадают на ее стенки, где рекомбинируют с заселяющими ее электронами. При рекомбинации этих частиц на поверхности пор и капилляров выделяется энергия, которая передается поверхностным молекулам белка, способствуя тем самым модификации внутренней поверхности кутикулярной клетки, ограниченной мембраной со всех сторон. Это означает, что при обработке капиллярно-пористых тел в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления приводит к упорядочению внутренней структуры и увеличению кристаллической фазы белка кератина, являющегося основным белком шерстяного волокна.

Таким образом, обработка неравновесной низкотемпературной плазмой приводит не только к морфологическим изменениям структур шерстяного волокна, но и одновременно с этим происходит их глубокая наноструктурная трансформация. Данный вид разряда позволяет осуществлять объемную обработку на различных стадиях первичной обработки шерсти. Обработка плазмой заменяет жидкостные процессы на сухие, за счет объемного воздействия на шерстяное волокно, что приводит к сокращению расхода химматериалов, воды, энергоресурсов, уменьшению себестоимости конечной продукции, дает производству очевидные экологические преимущества.

Литература

1. Садов, Ф. И. Химическая технология волокнистых материалов / Ф. И. Садов, М. В. Корчагин,

А. И. Матецкий; под общ. ред. Ф. И. Садова. - М.: Легкая индустрия, 1968. - 784 с.

2. Новорадовская, Т. С. Химия и химическая технология шерсти / Т. С. Новорадовская, С. Ф. Садова; под общ. ред. И. Ю. Авдеевой. - М.: Легпромбытиздат, 1986. - 200 с.

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

4. Гусев, В. Е. Сырье для шерстяных и нетканых изделий и первичная обработка шерсти / В. Е. Гусев. - М.: Легкая индустрия, 1977. - 408 с.

© Е. В. Слепнева - ст. препод. каф. дизайна КГТУ, elenaslep@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ;

В. В. Хамматова - д-р техн. наук, проф., зав. каф. дизайна, КГТУ.