Гидрофобизация поверхности материалов с мембранным покрытием с помощью плазменной обработки

ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 687.023:678.7

И. Ш. Абдуллин, Р. Г. Ибрагимов, О. В. Вишневская, В. В. Вишневский, Н. В. Осипов

ГИДРОФОБИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ С МЕМБРАННЫМ ПОКРЫТИЕМ С ПОМОЩЬЮ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Ключевые слова: плазма, модификация, мембрана, материал с мембранным покрытием, гидрофобность,

краевой угол смачивания.

Для установления влияния плазменной обработки на поверхностные свойства материалов с мембранным покрытием исследовали краевой угол смачивания материалов. В результате анализа влияния параметров плазменной обработки на поверхностные свойства материалов с мембранным покрытием был установлен наиболее оптимальный режим обработки, способствующий максимальной гидрофобизации поверхности, что необходимо для улучшения эксплуатационных свойств материалов, используемых для активного отдыха.

Keywords: plasma, modification, the membrane material with membrane coating, hydrophobicity, contact angle.

To establishing the influence plasma treatment on the surface properties of materials with membrane coating was investigated contact angle materials. An analysis of the influence of parameters of plasma treatment on the surface properties of materials with membrane coating was set the optimal treatment regimen that promotes maximum hydrophobic surface that is needed to improve the performance properties of the materials used for outdoor activities.

В настоящее время материалы с мембранным покрытием находят все более широкое применение в производствах текстильной и легкой промышленности. При этом актуальной является не столько разработка новых видов материалов, сколько модификация существующих, с целью придания им заданных свойств.

Известные методы химической и физической модификации материалов с мембранным покрытием требуют усложнения технологии получения материалов. Это приводит к увеличению времени технологических процессов, повышению расхода химических веществ, что, как правило, в условиях многотоннажных производств, приводит к сложным экологическим проблемам. В качестве альтернативы традиционным методам модификации материалов с мембранным покрытием особую значимость приобретают плазменные методы обработки, представляющие собой воздействие на материалы плазмы газовых разрядов. Они позволяют направленно изменять структуру мембраны и самого материала с целью изменения физико-механических, поверхностных и эксплуатационных свойств материала.

Плазма высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда обладает следующими преимуществами: эффективно и устойчиво изменяет поверхностные свойства образца, не ухудшает объемных (в том числе физико-механических) характеристик, не нагревает материал до температуры, вызывающей его расплавление или деструкцию. Изменяя параметры разряда и вид плазмообразующего газа можно управлять составом химически активных частиц и, следовательно, характером воздействия ВЧЕ разряда на материал [1].

В связи с актуальностью данного направления авторами работы были проведены исследования по

установлению влияния плазменной обработки на поверхностные свойства материалов с мембранным покрытием. Обработка образцов осуществлялась на экспериментальной ВЧЕ плазменной установке, описанной в работе [2].

Эксперименты выполняются на установке ВЧЕ плазмы пониженного давления, функциональная схема, которой описывается в [3]. Установление конкретных зависимостей выходных характеристик ткани от характеристик плазменной установки производится варьированием значений: расхода газа (в) от 0 до 0,08г/с, напряжения (и) от 6 до 7 кВт, рабочего давления газа (Р) 24 Па и продолжительности обработки (т) до 7 минут при частоте генератора 13,56 МГц. В качестве плазмообразующего газа используется смесь газов аргона с пропаном-бутаном соотношении 70% и 30%.

От назначения материала зависят свойства, которым он должна соответствовать. В частности, костюмные, пальтовые, плащевые ткани, которые используются для производства верхней одежды, обязательно должны противостоять смачиванию и сопротивляться проникновению воды. Поэтому, для этих материалов очень важным свойством является их водоупорность и водонепроницаемость. Для брезентовых, зонтичных, палаточных тканей основным качеством является их гидрофобность.

Гидрофобность - это способность материала отталкивать воду. Водоотталкивание ткани зависит от многих факторов - структуры волокон, способа плетения, специального гидрофобного покрытия или пропитки. При выборе ткани для производств тех или иных изделий, предназначенных для защиты от атмосферных осадков или других факторов, способных привести к намоканию, принимаются о внимание их гидрофобные свойства.

Для определения степени водонепроницаемости и гидрофобности тканей используются различные методики и приборы, моделирующие условия, которым ткань может подвергаться в процессе эксплуатации.

Одной из таких методик является определение краевого угла смачивания. Смачиваемость текстильных материалов характеризуется показателем краевого угла смачивания, а также временем растекания капли воды по поверхности материала. Краевой угол смачивания определяли на приборе Kruss Easy Drop DSA 20E методом сидящей капли. На поверхность материалов с мембранным покрытием, предварительно закрепленных на предметном столике, наносили не менее 7 капель воды, используя шприц-дозатор. С помощью шприца каждая капля помещается на поверхность образца материала со стороны мембранного покрытия, при этом объем каждой капли должен составлять строго 2 мкл, а диаметр не должен превышать 2-3 мм.

В одном направлении происходит подсвечивание капли, расположенной на поверхности материала, а с противоположной

стороны происходит фиксация изображения капли на видеокамеру. Изображение капли передается на оснащенный платой захвата изображения компьютер, а затем выводится на монитор. Программное обеспечение Э5А1 при помощи средств для анализа изображения капли позволяет рассчитать краевой угол смачивания с погрешностью не более ±0,1°.

В качестве объектов исследования были выбраны двухслойные мембранные материалы: ткань из 100% полиэстера с мембранным покрытием из ПТФЭ «Алова» [4-9], ткань камуфляжная из полиэстера «Климат 3» и ткань плащевая из полиэстера «Климат 3+» с мембранным покрытием ПТФТ.

Анализ краевого угла смачивания показал, что при нанесении капли на ткань, обработанную в плазме ВЧЕ - разряда пониженного давления, капля жидкости не растекается, имеет большое значение угла смачивания, что свидетельствует о гидрофобизации поверхности.

Результаты краевого угла смачивания до и после обработки в плазме ВЧЕ - разряда пониженного давления представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения краевого угла смачивания поверхности материала с мембранным покрытием до и после обработки в плазме ВЧЕ - разряда пониженного давления.

Материал Образец Угол смачивания (9), град. Фотография

«Алова» Без модификации 76,2 4Вк

Модифицированный 97,3 Л

Без модификации 63,2

Камуфляж «Климат 3» Модифицированный 100,5 А

Плащевый материал «Климат 3+» Без модификации 60,4

Модифицированный 98,6

Анализ результатов экспериментальных данных показал, что плазменная обработка приводит к гидрофобизации материалов с мембранным покрытием: ткани «Алова» на 27,6%, ткани

камуфляжной «Климат 3» на 59%, ткани плащевой «Климат 3+» на 63,2% соответственно.

В результате изучения влияния плазменной обработки на материалы с мембранным покрытием

были получены основные результаты экспериментального исследования, в ходе которых было выявлено, что плазменная модификация позволяет получать материал не только с повышенными эксплуатационными свойствами, как было изучено ранее в [4-9], но и с повышенной гидрофобностью. Установлен оптимальный режим плазменной обработки материалов с мембранным покрытием [5].

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

Литература

1. Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Парошин В.В. ВЧЕ-плазма в технологии изготовления трубчатых ультрафильтров// Вестник Казанского технологического университета. 2012. N 15. С. 63-66.

2. Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Парошин В.В., Зайцева О.В. Композиционные мембраны// Вестник Казанского технологического университета. 2012. N 15.С. 67-75.

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

4. Абдуллин И.Ш. Модификация поверхности ткани с мембранным покрытием неравновесной низкотемпературной плазмой / И.Ш. Абдуллин [и др.]// Сборник тезисов Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2014. -Казань. Издательство КНИТУ.- 2014.- С.54-58.

5. Абдуллин И.Ш., Нефедьев Е.С., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В. Регулирование эксплуатационных свойств тканей с мембранным покрытием// Вестник Казанского технологического университета. 2014. N 12.С. 34-36.

6. Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В. Современные ткани с мембранным покрытием// Вестник Казанского технологического университета. 2014. N 12.С. 37-41.

7. Абдуллин И.Ш., Нефедьев Е.С., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В., Ахметшина Л.Р. Характеристика распределения пор по размерам в тканях с мембранным покрытием газодинамическим методом// Вестник Казанского технологического университета. 2014. N 12.С. 45-48.

8. Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Вишневская О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В. Технология каландрования полимеров для изготовления тканей с мембранным покрытием// Вестник Казанского технологического университета. 2014. N 13.С 102-109.

9. Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Вишневская О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В. Повышение прочности материалов с мембранным покрытием с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы// Вестник Казанского технологического университета. 2014. N 16.С. 46-48.

© И. Ш. Абдуллин - д.т.н., профессор, проректор по НР КНИТУ, зав. каф. ПНТВМ; Р. Г. Ибрагимов - к.т.н., доцент кафедры ТОМЛП КНИТУ, modif@inbox.ru; О. В. Вишневская - аспирант кафедры ПНТВМ КНИТУ, olesya-zef@yandex.ru; В. В. Вишневский - студент группы 4311-11, кафедры ПНТВМ КНИТУ, vitek122@mail.ru; Н. В. Осипов - студент группы 4311-11, кафедры ПНТВМ КНИГУ, kronos.o.g.o@gmail.com.

© 1 Sh. Abdullin - professor, vice rector for research KNRTU, head of the chair PNTMC; R. G. Ibragimov - Ph.D. associate professor the department of TEMLI KNRTU, modif@inbox.ru; O. V. Vishnevskaya - postgraduate student the department PNTMC KNRTU, Olesya-zef@yandex.ru; V. V. Vyshnevskiy - student of 4311-11 group, the department PNTMC KNRTU, vitek122@mail.ru; N. V. Osipov - student of 4311-11 group, the department PNTMC KNRTU; kronos.ogo@ gmail.com.