Влияние эффекта замасливания на поверхностную структуру и деформационные характеристики полиолефиновых волокон. Часть I

ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ

УДК 677.494.742.3

И. Ш. Абдуллин, И. А. Гришанова, Р. А. Каюмов,

Р. Ф. Шарафеев, Д. Е. Страхов

ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТА ЗАМАСЛИВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТНУЮ СТРУКТУРУ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИОЛЕФИНОВЫХ ВОЛОКОН. ЧАСТЬ I

Ключевые слова: волокно, замасливание, модификация, плазма, капиллярность, поверхность, деформация,

свойства.

Эффективным способом улучшения физико-механических характеристик синтетических материалов и изделий из них является модификация свойств волокон с помощью неравновесной низкотемпературной плазменной обработки. В данной статье приведены результаты исследований влияния операции замасливания и плазменной обработки на поверхностные и деформационные характеристики высокомодульных полиэтиленовых волокон.

Key words: fiber, lubrication, modification, plasma, capillarity, deformation, surface , the spinfinish, properties.

Effective way of improving physical and mechanical properties of synthetic materials and products from them is to modify the properties of fibers with a nonequilibrium low-temperature plasma treatment.

This article presents the results of studies on the effect the operation spinfinish and on the physical and deformation characteristics of high-modulus polyethylene fibers.

В настоящее время полиолефиновые волокна используются в изделиях широкого спектра потребления и, в частности, в изделиях технического назначения. Вследствие высокой кристалличности эти волокна отличаются высокой прочностью, эластичностью и химической стойкостью, а их прочность и разрывные характеристики превосходят такие волокна как Kevlar [1-4]. Однако эти волокна характеризуются такими фрикционными и электрофизическими свойствами, которые затрудняют их переработку и эксплуатацию, а следовательно снижает конкурентоспособность получаемых продуктов [5].

Целенаправленная модификация свойств волокон может осуществляться либо физикохимическими, либо химическими методами. В традиционном текстильном производстве изменение поверхностных свойств волокон осуществляется непосредственно за фильерами и заключается в обработке волокон текстильно-вспомогательными составами. Эта операция позволяет облегчить последующие текстильные операции, например, такие как вытягивание, намотку на бобину и т.д. [5, 6].

Основой текстильно-вспомогательных составов служат минеральные масла, способствующие выравниванию поверхности. Кроме того для обеспечения легкого слипания и образования плотного волокна (нити) в замасливающие составы обычно вводят синтетические авиважные средства, а для облегчения намотки - вещества с выраженным антистатическим действием. В результате на поверхности волокон образуется пленка сложного текстильновспомогательного состава, которая изменяет поверхностную структуру и свойства самих волокон. При дальнейшей текстильной переработке возникает необходимость в удалении поверхностных отложений [7, 8].

Выбор компонентов, наносимых на волокно и их содержание на волокне, можно регулировать, но при этом должна сохраняться способность хорошей намотки волокна (нити) на бобину, хорошая сцепляемость филаментов в волокне (волокон в нити) и сохранение оптимальной способности к вытягиванию.

Перспективным физико-механическим методом модификации служит плазменная обработка материалов. Преимущество плазменных методов модификации заключается в комплексном улучшении физико-химических, механических и эксплуатационных свойств материалов. При этом изменениям подвергается только обрабатываемая поверхность и очень тонкий приповерхностный слой. Техника обработки плазмы позволяет заменить жидкофазные технологические процессы на экологические чистые, а исключение применения химикатов уменьшает себестоимость конечной продукции [9-13].

В свете вышеизложенного несомненна актуальность проводимых исследований. В данной публикации приведены результаты исследований структуры поверхности и деформационных свойств сверхвысокомодульных многофиламентных полиэтиленовых (СВМПЭ) волокон, подвергнутых процессу замасливания в текстильном производстве и обработке неравновесной низкотемпературной плазмой (ННТП).

ННТП обработка осуществлялась на экспериментальной высокочастотной емкостной (ВЧЕ) установке, описанной в работе [13].

Результат воздействия ВЧЕ разряда на исследуемые свойства СВМПЭ волокон анализировался с помощью комплекса стандартных методик: определения капиллярности в соответствии с ГОСТ 3816-81; получения деформационных характеристик на разрывной машине РМ-50 с компьютерным управлением (фирма «Машпласт») в соответствии с ГОСТ 28840-90; исследования поверхности на сканирующем зондовом микроскопе МиШМоёе V (фирма «УЕБСО», США).

На начальном этапе экспериментальной работы оценивались свойства волокон в исходном состоянии. СВМПЭ волокна до операции замасливания имеют нулевую гидрофильность, после операции замасливания гидрофильность колеблется от 80 до 120 мм для различных образцов.

Модификацию волокон проводили в среде аргона при постоянных параметрах и постоянной продолжительности процесса. Воздействие ННТП на СВМПЭ волокна без замасливания позволяет повысить гидрофильность от 0 до 140 мм, а гидрофильность волокна, обработанного текстильно-вспомогательным составом, увеличивается лишь на 13% (от 120 до 140 мм).

Результаты исследования состояние поверхности волокон до и после замасливания на атомно-силовом микроскопе приведены на рис.1, 2. Полученные данные подтверждают явное отличие состояния поверхности волокон до и после обработки (на обработанной поверхности четко фиксируется моно- или полислой текстильно-вспомогательного состава).

Рис. 1 - АСМ изображение поверхности СВМПЭ волокна до операции замасливания

Рис. 2 - АСМ изображение поверхности СВМПЭ волокна после операции замасливания

На рис.3, 4 представлены гистограммы поверхности СВМПЭ образцов. Из приведенных данных следует, что шероховатость поверхности образца до замасливания в среднем составляет 135 нм, а после замасливания в среднем 840 нм. (Под шероховатостью поверхности понимаются перепады высоты в изученных областях и определяются по пику гистограммы).

Рис. 3 - Распределение поверхности по высоте (гистограмма) у СВМПЭ волокна до операции замасливания

Рис. 4 - Распределение поверхности по высоте (гистограмма) у СВМПЭ волокна после операции замасливания

Изменение упруго-деформационных свойств волокон при одноосном растяжении

аппроксимируется зависимостью следующего вида:

(

а=Е>

«О + 8

О/^

-2 Л

+8

«О +1

8.

Согласно этой зависимости значение предела прочности составляет а = 0,685 ГПа для образцов, необработанных текстильно-вспомогательным составом, и а = 0,587 ГПа для образцов, подвергнутых замасливанию.

Для оценки изменения свойств текстильно-обработанных волокон в условиях эксплуатации хранения образцы подвергали воздействию ультрафиолетового (УФ) излучения (мощность лампы 350 Вт, время воздействия - 3600 с). Критерием оценки служили параметры сохранения механических свойств образцов относительно аналогичных характеристик исходного волокна. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о снижении прочности после УФ излучения на 50%, а капиллярность при этом падает до нуля.

Таким образом, на основании представленных результатов исследований можно констатировать, что, несмотря на идентичный химический состав обоих типов высокомодульных полиэтиленовых волокон, подвергнутых различным технологическим операциям, свойства их коренным образом отличаются за счет поверхностных явлений, обусловленных операцией замасливания, а именно:

- капиллярность текстильно-обработанных волокон после ННТП обработки возрастает до 120-140 мм (в исходном состоянии составляет от 80 до 110 мм ), при этом строение поверхностного слоя приобретает большую шероховатость;

- адсорбционно-активная среда на поверхности волокон после УФ воздействия вызывает снижение их исходной прочности (необработанные текстильно-вспомогательным составом волокна стойки к действию УФ излучения), при этом капиллярность снижается до нуля;

- адсорбционные свойства волокна после обработки текстильно-вспомогательным составом возрастают, а строение его поверхностного слоя приобретает большую шероховатость;

- адсорбционно-активная среда на поверхности волокна вызывает снижение значения его исходной прочности;

- на величину и направленность процессов модификации волокна влияют поверхностные явления, обусловленные операцией замасливания.

Литература

1. Свойства и области применения полиолефиновых волокон

(http://www.polimerportal.ru/index.php/2008/11/svoistva-volokon).

2. Перепелкин, К.Е. Химические волокна. Настоящее и будущее. Взгляд в следующее столетие // Химические волокна. - 2000, Часть 1. № 5. - С.3-17; Часть 2. № 6. - С.3-14.

3. Перепелкин, К.Е. Химические волокна для текстильной промышленности: основные виды, свойства и применение. // Текстильная химия.- 2001.- № 1. - С.19-31.

4. Синтетические волокна. Новые технологии (http://www.polimery.ru).

5. Shanglin CaO. Surface modification of Ultrahight Molecular Weight Polyethylene fibers by plasma treatment / Shanglin CaO, Yeguang Lena // Y.Adhesion №1, 1992. - P.105-123.

6. Филинковская, Е.Ф. Изменение физико-механических свойств вискозного волокна под влиянием авиважных веществ / Е.Ф. Филинковская, А.Б. Пакшвер // Химические волокна. - 1959. - №4.

7. Переработка химических волокон и нитей: Справочник / Под общ. ред. Б.А. Маркова и Н.Ф. Сурниной. - М.: Легкпромбытиздат, 1989. - 744 с.

8. Геллер, Б.Е. Практическое руководство по физикохимии волокнообразующих полимеров: учеб. пособие для вузов: 2-е изд. / Б.Е. Геллер, А. А. Геллер, В.Г. Чиртулов - М.: Химия, 1996, 442 с.

9. Абдуллин, И.Ш. Влияние плазменной обработки на физические свойства высокомолекулярных синтетических волокон / И.Ш. Абдуллин, И.А. Гришанова, О.С. Мигачева // Межд. конф.: Физика высокочастотных разрядов. - Казань, 2011. - 320 с.

10. Сергеева, Е.А. Влияние плазмы ВЧЕ разряда на физико механические свойства волокон и композиционных материалов / Е.А. Сергеева, И. А. Гришанова, И. Ш. Абдуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №7. - С.109-112.

11. Гришанова, И. А. Влияние природы и состава плазмообразующей среды на физико-механические свойства высокомодульных полиэтиленовых волокон / И.А. Гришанова, Е.А Сергеева, С.В Илюшина, М.Ф Шаехов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №10. - С.231-236.

12. Сергеева, Е.А. Влияние плазменной обработки на изменение массы высокомодульных полиэтиленовых волокон / Е.А. Сергеева, И.А. Гришанова, Л.Н. Абуталипова, С.В. Илюшина // Вестник Казан. технол. ун-та. -2010. - №10. - С.187-190.

13. Сергеева, Е.А. Оптимизация режимов низкотемпературной плазменной обработки высокомодульных полиэтиленовых волокон / Е.А. Сергеева, И.А. Гришанова, Л.Н. Абуталипова, С.В. Илюшина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №7. - С.94-98.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_I@kstu.ru; И. А. Гришанова - канд. техн. наук, доц. каф. моды и технологий КНИТУ; Р. А. Каюмов - д-р физ.-мат. наук, проф. каф. сопротивления материалов и основ теории упругости КГАСУ, kayumov@rambler.ru; Р. Ф. Шарафеев - канд. техн. наук, инж. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, sharafeevrf@kstu.ru; Д. Е. Страхов - канд. техн. наук, доц. каф. сопротивления материалов и основ теории упругости КГАСУ, strahov@ksaba.ru.