Влияние потока низкотемпературной плазмы ВЧ - разряда на свойства текстильных материалов

И Ш. Абдуллин, В. В. Хамматова

ВЛИЯНИЕ ПОТОКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ВЧ - РАЗРЯДА НА СВОЙСТВА ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Описаны результаты экспериментальных исследований механических и

физических свойств текстильных материалов, обработанных потоком низкотемпературной плазмы В ЧЕ - разряда.

Введение

В настоящее время среди задач, которые необходимо решать для текстильной про мышленности - целенаправленное улучшение физико-механических свойств нитей и тканей из натуральных и синтетических материалов, поскольку эти свойства определяют в итоге потребительскую ценность изделий.

Методы традиционной модификации, как правило, осуществляются с использованием химических реагентов и, как следствие, сопровождаются загрязнением окружающей среды. Кроме того, подобные методы обработки текстильных материалов позволяют ограниченно улучшать свойства последних.

Из многообразия существующих методов модификации текстильных материалов в последние годы все шире применяются электрофизические, к числу которых относятся тлеющий, барьерный, коронный, искровой разряды. Однако их использование приводит к изменению химического состава, а также может привести к деструкции волокон.

Альтернативным методом модификации поверхности тканей и нитей является обработка высокочастотным емкостным (ВЧЕ)-разрядом низкого давления. Данный разряд ха-

4Г 40 о

растеризуется достаточно большой концентрацией заряженных частиц Пе=10 -10 м" при низкой температуре газа и высоким уровнем термической неравновесности Те/Та=40-80.

Электрофизический метод модификации плазмой ВЧЕ - разряда - это многогранный процесс позволяющий обрабатывать поверхность практически любого текстильного материала. Результат ее напрямую зависит от состава плазмообразующего газа, а также от природы обрабатываемого материала и параметров обработки.

Метод обработки низкотемпературной плазмой ВЧЕ - разряда используется для осуществления целого ряда технологических процессов. К ним относятся гетерогенные процессы, ведущие к образованию (удалению) поверхностных соединений или к избирательному изменению свойств поверхности.

Достоинствами плазменных методов обработки ВЧ - разрядом являются:

- комплексное улучшение свойств текстильных материалов;

- экономия сырьевых и энергетических ресурсов;

- повышение уровня автоматизации технологического процесса.

К недостаткам, следует отнести повышенную энергоемкость, использование специальных источников питания электрическим током, размещение технологического оборудования в отдельных производственных помещениях, выполнение специфических требований безопасности труда.

Получение максимально возможных значений параметров, характеризующих физические и механические свойства волокон в зависимости от режимов обработки в потоке

ВЧЕ - разряда, очень важно для технологического процесса формирования нитей и тканей, поскольку способствует уменьшению обрывности нитей на ткацких станках, ускорению пропитки и крашения текстильных материалов и, тем самым, повышению производительности труда.

Результаты исследований

Для большинства тканей важными потребительскими свойствами, определяющими качество товаров легкой промышленности являются прочность, надежность и износостойкость. Свойства текстильных материалов зависят от состава и структуры волокон, их толщины и переплетения, от вида их отделки (суровые, пропитанные спецсоставом, окрашенные и т.д.).

Изучение влияния струйной плазменной обработки на показатели разрывной нагрузки (Рн) и относительного разрывного удлинения (ср) проводилось на целлюлозосодержащих и синтетических текстильных материалах.

Исследовалось воздействие ВЧЕ - разряда на изменение относительной разрывной нагрузки Рн нитей от времени обработки потоком низкотемпературной плазмы, давления в вакуумной камере, напряжения на электродах, плотности тока в разряде и расхода плазмообразующего газа.

Влияние времени воздействия на показатели прочности текстильных нитей (рис.1) свидетельствуют, что кратковременная обработка в потоке плазмы в течение 120-180 с позволяет увеличить прочность нитей: льняных - на 65%, хлопковых на 55%, ЛДК - на 23%. Увеличение времени воздействия до 720 с не приводит к дальнейшему повышению прочности волокна.

Рн,%

>

о и

]

? и "

3 II - // , 1 С ; я 1 С 1— А

20 - И

1 и  у

0 1,  - 2 2, ВЧЕ, ЛД 4 3, К; ♦-! 6 4, 3 ЧЕ, хло 8 б пок; а—  ^ х ,10 ВЧЕ, лен; Зс

Рис. 1 - Влияние продолжительности плазменной обработки на разрывную нагрузку нитей

Сравнительные результаты изменения прочности натуральных и синтетических нитей до и после обработки потоком ВЧ - разряда в режиме \Л/Р=0.9 кВт, т=180 с, Р=55 Па, 6=0.04 г/с приведены в табл.1. Как видно из таблицы, при кратковременной обработке нитей полиамида (ПА), полиэфира (ПЭФ) и полипропилена (ПП) прочность увеличивается

от 5 до 10%.

Вид нитей Условное обозначение нитей Разрывная нагрузка, Рн, Н Увеличение прочности, Рн, %

Без НТП Обработка НТП

Пряжа Хлопок 13.8 21.4 55.1

Лен 16.2 26.7 64.8

ЛДК 22.5 27.6 22.7

Мононить ПА 27.0 28.4 5.1

ПП 11.0 12.1 10.0

ПЭФ 9.9 10.6 6.0

Приводятся результаты изменения относительного разрывного удлинения от времени воздействия потока низкотемпературной плазмы для синтетических волокон в режиме плазмообразующего газа - воздух С = 0.05 г/с (табл. 2) и природных волокон 0=0.04г/с; Р=53.3Па; \Л/Р=1.07 кВт - воздух; \Л/Р=2.01 кВт - аргон (табл. 3 - 4). Максимальный эффект уменьшения относительного удлинения (ен) в синтетических нитях до 4.47%, а в натуральных 7% достигается в интервале от 0 до 180с.

Как видно из табл.З, при увеличении времени экспозиции образцов в плазме от 180 с и выше £н увеличивается. В воздушной плазме изменение относительного удлинения меньше, чем в атмосфере аргона.

Анализ результатов (табл.4) показывает, что у льняных волокон в режиме т — 180с; Р=53.2Г1а, \Л/Р=2.01 кВт с увеличением расхода аргона до С=0.04 г/с, относительное разрывное удлинение уменьшается на 30-50%, чем при 0=0 в сравнении с необработанными образцами, а в расходном режиме в атмосфере воздуха уменьшается на 22-29 %. Аналогичные зависимости наблюдаются для хлопковых волокон.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что наибольшее уменьшение относительного разрывного удлинения достигается при следующих параметрах воздействия потока плазмы ВЧЕ - разряда: мощности разряда в атмосфере воздуха \Л/Р = 1.07 кВт и в аргоне \Л/Р = 2.01 кВт, давлении в вакуумной камере Р=53.2 Па. времени экспозиции т = 180 с и расходе газа в = 0.04 г/с.

Таблица 2 - Влияние воздействия низкотемпературной плазмы на механические свойства синтетических нитей

Параметры обработки Эффект воздействия НТП,%

Условное обозначение нитей

Давление плазмообразующего газа, Р, Па Время обработки, т,с Рн ен

ПП(4) 60 70 90 180 270 360 12.1 9.3 8.6 -2.00 -1.76 -1.26

ПА(6) 60 70 90 180 270 360 5.1 4.8 4.2 -3.50 -3.20 -2.80

ПА(5) 60 70 90 180 270 360 10.4 8.7 8.0 -4.47 -4.00 -3.60

ПА(3) 60 70 90 180 270 360 9.0 7.2 5.1 -3.50 -3.00 -2.30

ПЭФ(З) 60 70 90 180 270 360 8.5 6.2 4.3 -1.24 -1.10 -0.97

Таблица 3 - Изменение относительного разрывного удлинения целлюлозосодержащей пряжи при варьировании времени воздействия плазмой

Время обработки, с Относительное разрывное удлинение, бн, %

Хлопок Лен

Аргон Воздух Аргон Воздух

0 12.32 12.32 5.60 5.60

180 5.15 9.00 2.20 3.60

360 5.25 9.14 2.30 3.00

540 5.30 9.20 2.40 3.02

720 6.90 9.50 2.50 3.12

Анализ результатов (табл.4) показывает, что у льняных волокон в режиме I =180с; Р=53.2Па, \Л/Р =2.01 кВт с увеличением расхода аргона до 0=0.04 г/с, относительное разрывное удлинение уменьшается на 30-50%, чем при 0=0 в сравнении с необработанными образцами, а в расходном режиме в атмосфере воздуха при \Л/Р =1.07 кВт уменьшается на 22-29 %. Аналогичные зависимости наблюдаются для хлопковых волокон.

Таблица 4 - Изменение относительного разрывного удлинения пряжи при варьиро вании параметров обработки низкотемпературной плазмой

Природа плазмооб- разующего газа Расход газа, Є, г/с Давление плазмообразующего газа, Р, Па Мощность разряда, У\/Р, кВт Относительное разрывное удлинение, е„, %

хлопок лен

0 30.0 0.49 8.6 3.2

0.04 30.0 0.49 9.4 3.8

Воздух 0 53.2 1.07 9.0 3.6

0.04 53.2 1.07 6.8 2.5

0 80.0 1.81 9.2 3.2

0.04 80.0 1.81 8.4 3.4

0 30.0 1.60 8.4 3.6

0.04 30.0 1.60 7.0 2.5

Аргон 0 53.2 2.01 7.8 3.0

0.04 53.2 2.01 5.2 2.2

0 80.0 1.81 9.0 3.2

0.04 80.0 1.81 6.8 2.3

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что наибольшее уменьшение относительного разрывного удлинения достигается при следующих парамефах воздействия потока плазмы ВЧЕ-разряда: мощности разряда в атмосфере воздуха \Л/Р =1.07 кВт и в аргоне \Л/Р =2.01 кВт, давлении в вакуумной камере Р=53.2 Па, времени экспозиции т=180 с и расходе газа 0=0.04 г/с.

Одним из показателей механических свойств текстильных материалов является их устойчивость к действию истирающей нагрузки и разрушению в виде поверхностных трещин и надрывов нитей. Истирание является основной причиной износа материала при незначительном воздействии других факторов и сопровождается некоторым уменьшением массы.

Результаты исследования стойкости материалов к истиранию, представленные в табл.5, показывают, что после воздействия потока НТП она увеличивается. При обработке плазмой аргона стойкость к истиранию увеличивается: у хлопка до 78%. у льна до 43.6%, у полульняных тканей от 34.7% до 61.8%.

Ткань Стойкость к истиранию, %

Влияние НТП

на суровую ткань на огнестойкую ткань

Аргон Воздух Аргон Воздух

Хлопок 34.7 27.8 27.6 18.5

Хлопок + льноджуто-кенаф 56.4 52.9 47.1 41.9

Льноджуто- кенаф 44.9 41.2 33.3 29.7

Лен 43.6 35.2 28.8 23.6

Из анализа результатов следует, что изменение механических свойств текстильных нитей и тканей, обработанных в плазме аргона и воздуха, отличается менее чем на 10%. Поэтому для большинства техпроцессов выгоднее использовать в качестве плазмообразующего газа воздух.

Физические свойства тканей оценивали по изменению водопоглощаемости и капиллярности, времени растекания капли воды и величине диаметра растекания капли по поверхности.

Результаты исследований влияния параметров плазменной обработки полульняной ткани на ее водопоглощение представлены в табл.6. Анализируя результаты, можно отметить, что непродолжительная обработка в атмосфере аргона и воздуха до т= 180 с в 4-7 раз увеличивает водопоглощаемость тканей. Максимальное значение водопоглощения наблюдается при следующих параметрах: Р=53.2 Па; С=0.04 г/с в атмосфере воздуха \Л/Р =1.07 кВт и т=180 с.

Таблица 6 - Влияние плазменной обработки на водопоглощение полульняной ткани

Вид и условия Водопоглощение, В, %

обработки ткани Без Н ГП Аргон Воздух

Є=0 6=0,04г/с 6=0 С=0,04г/с

До обезвоживания 9.9 60.5 65.9 45.7 78.1

После обезвоживания 14.97 63.2 68.7 48.6 81.9

На рис. 2 представлена зависимость поглощения влаги продольными порами (капиллярами) от параметров воздействия потока НТП. Анализ полученных результатов показывает, что высота подъема воды в капиллярах (К) монотонно возрастает и достигает предельного значения при т=600 с. С увеличением времени экспозиции в воде до 1= 1800с

Рис.2 - Скорость подъема жидкости в капиллярах суровой полульняной ткани в зависимости от природы плазмообразующего газа

скорость резко уменьшается и становится практически равной нулю. Следовательно, режим Р=53.2Па; \Л/Р =1.07 кВт; т=300с является оптимальным для повышения капиллярности текстильных материалов.

Выводы

В результате проведенных исследований установлено, что обработка ВЧЕ - плазмой при пониженных давлениях является высокоэффективным методом для комплексной модификации поверхности текстильных материалов в диапазонах: Р=30 -90Па; \Л/Р=0.49-2.01 кВт; 0=0-0,06 г/с; т=60-600с, в среде плазмообразующих газов аргона и воздуха.

Оценки параметров плазменного потока ВЧЕ - разряда показали, что продув газа является существенно необходимым фактором обеспечивающим высокую производительность и равномерность процессов модификации поверхности образцов, за счет чего повышается уровень ионизации газа и уменьшается продолжительность плазмофизических процессов.

На основании экспериментальных данных, можно заключить, что за счет бомбардировки поверхности текстильных материалов низкоэнергетическими ионами и рекомбинации заряженных частиц, в потоке плазмы ВЧЕ - разряда наблюдается улучшение физико-механических свойств и сохранение устойчивости плазменного эффекта. Причем для тканей из природных волокон эффективность плазменного воздействия максимальна.

Экспериментальная часть

Эксперименты по плазмообрабогке текстильных материалов проводились на установке ВЧЕ - разряда. В качестве источника питания используется генератор, работающий на частоте 13.56 МГц. Система электропитания обеспечивала электрической энергией все составные части плазменной установки.

Для нахождения оптимальных параметров обработки в потоке низкотемпературной плазмы, применялся комплекс диагностической аппаратуры, состоящий из магнитного зонда, электрического зонда, пояса Роговского, анализатора энергии ионов и методики для исследования параметров плазменного потока (напряженности электрического поля, энергии ионов, концентрации электронов, плотности тока в разряде, а также определения температуры плазменного потока).

Поверхность волокнистых материалов обрабатывалась при варьировании входных параметров установки, к которым относятся: расход плазмообразующего газа (G) от 0.03 до 0.08 г/с, давление в вакуумной камере (Р) от 30 до 90 Па и время обработки (т) от 180 до 360 с.

В качестве объектов для исследования выбраны волокна, нити и ткани из природных и синтетических полимеров, именуемые в данной работе текстильными материалами. Выбор указанных объектов исследования обусловлен тем, что переработка их протекает неудовлетворительно. Поэтому на отечественных предприятиях текстильной промышленности необходимо улучшать физико-механические свойства текстильных материалов, т.к. в большинстве случаев, традиционные виды обработки малоэффективны, длительны по времени и многоэтапны. Поэтому для исследования свойств натуральных и синтетических высокомолекулярных материалов выбраны хлопок, лен, джут, кенаф, полиамид, полипропилен, полиэтилен, представляющие практический интерес в легкой промышленности и медицине.

Волокна и нити, используемые при производстве текстильных материалов должны отвечать определенным техническим требованиям, т.е. обладать определенными свойствами и иметь высокую прядильную способность. У этих материалов различают механические свойства (прочность волокна, разрывную нагрузку и относительное разрывное удлинение) и физические свойства (капиллярность, водопоглащение и смачиваемость).

Литература

1. Абдуллин И.Ш., Желтухин B.C., Кашапов Н.Ф. Высокочастотная плазменно - струйная обработка

материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения. Казань: Изд -во КГУ, 2000.

348с.

2. Вузов Б.А., Модестова Т.А., Алыменкова Н.Д. Материаловедение швейного производства. М.:

Легпромбытиздат, 1986. 424с.

3. Абдуллин И.Ш., Хамматова В.В. II Тез. докл. «Текстильная химия 2004». Иваново, 2004. С. 71 -72.

4. КокеткинП.П. Одежда: технология - техника, процессы - качество. М.: Изд. МГУДТ, 2001. 560с.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии кожи и меха КГТУ; В. В.

Хамматова - канд. техн. наук, доц. каф. технологии и конструирования швейных изделий КГТУ.