Исключение поверхностных дефектов стеклоткани при обработке вч-индукционной плазмой пониженного давления

УДК 666.189.212

И. С. Мифтахов, Э. Ф. Вознесенский, А. И. Нагмутдинова, Т. С. Чикирева, Р. А. Тимершин

ИСКЛЮЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ СТЕКЛОТКАНИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ВЧ-ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАЗМОЙ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: стеклоткань, плазма, полировка, шероховатость, КЛСМ, АСМ, ВЧИ, НТП, износостойкость, дефекты.

В статье исследовалась возможность применения плазмы высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда в качестве инструмента очистки и сглаживания рельефа стеклянных тканей Е-типа (Э-типа) с целью удаления очагов щелочной коррозии и повышения прочностных свойств.

Keywords: fiberglass, plasma, polishing, roughness, CLSM, AFM, RFI, LTP, wear resistance, defects.

The article investigated the application of high frequency induction plasma discharge as a tool for cleaning and smoothing of the relief of the glass fabrics of the E-type for the purpose of removing the foci of alkaline corrosion and improve the strength properties.

На сегодняшний день текстильные материалы получили широчайшее распространение и сфера их применения не ограничивается производством одежды предметов быта. С середины XIX в качестве технического текстиля принимаются волокнистые материалы минерального происхождения. Ярким примером текстильных материалов минерального происхождения является стеклоткани и стекловолокна. Как таковые стекловолокна известны человечеству еще с древних времен, к примеру стекловолокна естественного происхождения, появляющиеся после извержений вулканов, гавайцы называли волосами богини Пеле, позже было установлено, что данные нити схожи по составу с современными базальтовыми волокнами [1].

Производство стекловолокна в современной промышленности представляет собой одностадийный метод, при котором волокно вытягивают из расплавленной стекломассы, поступившей сразу из стекловаренной печи, питаемой шихтой.

В зависимости от химического состава, различается тип, стоимость и физические свойства стекловолокон, исходя из которых волокна и делятся по типам: Е (electrical) - низкая электрическая проводимость; ECR (E-CR, chemical resistant) - высокая устойчивость к кислотам; S (strength) - высокая прочность; C (chemical) - высокая химическая стойкость; M (modulus) - высокой упругости; А (alkali) - высокое содержание щелочных металлов, известково-натриевое стекло; D (dielectric) - низкая диэлектрическая проницаемость; AR (alkali resistant) - высокая устойчивость к щелочам.

Наибольшую популярность приобрели волокна типа Е (в России и странах СНГ часто указаны, как Э-тип), около 90% от всех производимых стекловолокон, в виду низкой себестоимости процесса производства. На сегодняшний день химический состав стеклотканей Е типа представляет собой SiO2— B2O3-Al2O3-CaO-MgO-ZrO2-Na2O-K2O-Fe2O3-F2 в процентном соотношении соответственно (52-56)-(4-6)-(12-13)-(22-23)-(0,4-4)-(0,2-0,5)-(0,1-1)-(0-0,2)-(0,2-0,7).

Стеклоткани практически не применяются как самостоятельный элемент и в большинстве случаев входят в состав композита на их основе. Так, строи-

тельная отрасль уже не обходится без добавления в состав цементов и бетонов стекловолокон в качестве армирующего компонента. Однако в виду более высокой стоимости щелочестойких волокон, в строительстве чаще используются волокна Е типа, подверженные коррозионному воздействию щелочной среды цементов и бетонов [2]. Согласно работам [34], коррозия стекла и стекловолокна в частности начинается с поверхностных деффектов. Снизить деструктивное воздействие щелочной среды и, как следствие, увеличить срок службы композита на основе Е стеклотканей может удаление деффектов на самом волокне.

В представленной работе рассмотрена возможность сглаживания дефектов поверхности стекловолокна в газовом высокочастотном индукционном (ВЧИ) разряде. В качестве объекта исследования была выбрана стеклоткань марки Э3-200ПТ, производства ООО «П-Д Татнефть-Алабуга Стекловолокно», соответствующая ГОСТ 19907-83. Обработка проводилась в экспериментальной ВЧИ плазменной установке, описанной в работе [5].

Образцы стеклоткани закреплялись при помощи штатива-держателя непосредственно над срезом плазматрона на высоте h=50 мм, время обработки Т= 10 мин. В ходе обработки использовался плазмо-образующий газ Ar, расход газа составил G=0,06 г/сек, давление в рабочей камере находилось в диа-позоне P=60-90 Па. При модификации материала напряжение на аноде генераторной лампы (1А) варьировалось от 1,0 до 2,5 А с шагом 0,5 А.

В ходе работы исследовалось влияние ВЧИ плазменного воздействия на шероховатость отдельных филоментов стеклоткани. Контроль шероховатости производился методами конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ) на микроскопе Olympus OLS Lext 4100 при помощи фирменного ПО Olympus. результаты исследования приведены в таблице 1.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение ВЧИ плазменной полировки положительно влияет на уменьшение шероховатости, так в наиболее эффективном режиме (t=5 мин; G=0,06 г/с; p=60-90 Па; 1A=2,5 А; h=30 мм) наблюдается снижение значения шероховатости Ra на 35,36%, Rz на

39,6%, а средний шаг неровностей увеличился на 32,8%, что также говорит о сглаживании поверхности. Полученные данные позволяют предположить, что щелочестойкость и прочностные характеристики исследуемого волокна повысятся в виду устранения очагов коррозии.

Таблица 1 - Средние значения шероховатости стеклоткани, мкм

Контр. №1

Ra 0,0263 0,0327 0,0280 0,0410 0,0170

Rz 0,1480 0,1860 0,1583 0,2090 0,0893

Rsm 1,3713 1,3180 1,1017 1,3157 1,8277

В табл. 1 приняты следующие обозначения: Ra — среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины; Rz — сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины; RtSm — средний шаг неровностей.

Результаты исследования влияния низкотемпературной плазменной (НТП) модификации на стеклоткань, полученные при помощи сканирующего атом-но-силового микроскопа (АСМ) NT MDT Ntegra Therma представлены в таблице 2 и на рис. 1.

Полученные данные свидетельствуют об активном влиянии ВЧИ плазменной обработки на сглаживание рельефа отдельных волокон электроизоляционной стеклоткани, что согласно работам [3-4], повысит эксплуатационные свойства данного волокна. Так, исходя из результатов АСМ исследований, расчетные значения шероховатостей снизились более чем в 6 раз (плазмообразующий газ — Ar, G=0,06 г/сек, P=60-90 Па; IA=2,5 А; 7=10 мин.

Таблица 2 - Параметры шерохоавтости стеклот-канидо и после НТП обработки

Параметр шероховатости Контр. № 1 № 2 № 3 № 4

7 ^max, 172,87 48,50 35,25 28,58 27,36

нм

Rz, 86,25 24,35 17,48 14,22 13,97

нм

Ra, 20,21 6,10 4,64 3,09 1,89

нм

RMS, 24,84 7,67 5,769 4,02 2,49

нм

Рис. 1 - АСМ-изображения волокон стеклоткани Э3-

200ПТ. а - исходное волокно, б - № 1; в -№2; г - №3; д - №4

Литература

1. Аблесимов Н. Е., Земцов А. Н. Релаксационные эффекты в неравновесных конденсированных системах. Базальты: от извержения до волокна. — Раздел 6.1.1. Терминология. — М.: ИТиГ ДВО РАН, 2010.

2. Саламаха Л. В., Кушнир Е. Г., Бегун А. И. Влияние параметров стекловолокон на физико-механические характеристики стеклоцементных композиций. Вюник При-дншровсько! державно! академй буд1вництва та архпек-тури. Выпуск№ 1-2 (154-155) / 2011. С 31-36.

2. Proctor B. The effects of hydrofluoric acid etching on the strength of glasses / B. Proctor // Phys. Chem. Glasses. — 1962. — V. 3. — № 1. — pp. 7—27.

3. Pavelchek E.K. Fracture strength of soda-lime glass after etching / E.K. Pavelchek, R.H. Doremus // J. Mater. Sci. — 1974. — V. 9. — № 11. — pp. 1803—1808.

4. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В. С. Жел-тухин, Н.Ф. Кашапов. — Казань: Изд-во Казан. гос. унта, 2000.

в

г

д

© И. С. Мифтахов - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, fortmayn@mail.ru; Э. Ф. Вознесенский - д.т.н., профессор той же кафедры, howrip@mail.ru; А. И. Нагмутдинова - магистрант той же кафедры, singarella@mail.ru; Т. С. Чикирева - бакалавр той же кафедры, tanya.chikireva@gmail.com; Р. А. Тимершин - магистр той же кафедры, renatra2@yandex.ru.

© 1 S. Miftakhov - Ph.D. Student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, fortmayn@mail.ru; E. F. Voznesensky - Doctor of Technical Sciences, Professor of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, howrip@mail.ru; A. I. Nagmutdinova - Graduate Student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» KNRTU, singarella@mail.ru; T. S. Chikireva - bachelor of « Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, tanya.chikireva@gmail.com; R. A. Timeshin - Graduate Student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» KNRTU, renatra2@yandex.ru.