Модификация синтетических высокомолекулярных материалов с применением высокочастотного разряда пониженного давления

Р. Г. Ибрагимов, Л. Ю. Махоткина, М. Ф. Шаехов

МОДИФИКАЦИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА

ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Рассмотрены физические характеристики синтетических высокомолекулярных материалов после обработки высокочастотным разрядом пониженного давления.

Синтетические высокомолекулярные материалы на основе полиэтилена, полиэфира, полипропилена и полиамида все большее распространение получают в машиностроении, судостроении, авиастроении, химической и легкой промышленности. Они отличаются малым удельным весом, коррозионной стойкостью, высокой прочностью. Недостаток синтетических высокомолекулярных материалов в их малой адгезии к связующим, поэтому применяются различные методы повышения адгезионной прочности, такие как химическое протравливание, плазменная активация, плазменное напыление. Наиболее перспективным считается плазменная активация, так как используются неагрессивные химические материалы и не происходит загрязнения поверхности полимера.

Актуальной задачей является изменение свойств синтетических высокомолекулярных материалов от воздействия высокочастотного разряда пониженного давления.

Для исследования свойств высокомолекулярных материалов взяты наиболее типичные виды полимерных материалов, применяемых в легкой промышленности. Это полиэтилен, полиэфир, полипропилен и полиамид.

Важную роль при оценке качества синтетических нитей играют показатели механических свойств. Для оценки предельных механических возможностей ниток использовались полуцикловые разрывные характеристики: разрывная нагрузка Рн и удлинение при разрыве ен .

Указанные характеристики определялись до и после плазменного воздействия, и вычислялось их изменение относительно образцов нитей, не обработанных ВЧЕ- разрядом.

В ВЧЕ- разряде плазменная обработка осуществляется между двумя параллельнорасположенными электродами равномерно по всей рабочей поверхности образца с обеих сторон. За счет особенности ВЧ - разряда обработка ткани и синтетических волокон происходит во всем объеме материала, включая и поры [1].

Геометрические характеристики нитей после воздействия низкотемпературной плазмой не изменялись.

Зависимости относительной разрывной нагрузки Рн и относительное разрывное удлинение синтетических нитей от мощности разряда представлены на рис. 1 и рис. 2.

Сравнительные результаты измерения прочности нитей до и после обработки НТП приведены в табл.1. При кратковременной обработке нитей из полиамида (ПА) (табл.1), полиэфира (ПЭФ) и полипропилена (ПП) их прочность увеличивается на 5-10%.

Определялись разрывные характеристики синтетических нитей (полиамид, полиэфир и полипропилен) в зависимости от параметров воздействия потока плазмы ВЧЕ-разряда (табл.2).

Рис. 1 - Влияние энергии ионов на разрывную нагрузку синтетических нитей

Рис. 2 - Влияние энергии ионов на относительное разрывное удлинение синтетических нитей

Согласно приведенным данным при обработке нитей в ВЧЕ-разряде с ростом энергии ионов эффект плазменного изменения величины разрывной нагрузки и разрывного удлинения нитей увеличивается.

Зависимость Рн от Wj имеет выпукло-предельный характер. Для синтетических нитей (из полиамида, полиэфира, полипропилена) максимальный упрочняющий эффект низкотемпературной плазмы проявляется в основном при воздействии ионов с энергией от 20 до 42 эВ, дальнейшее увеличение энергии ионов приводит к уменьшению прочности нитей (рис.1).

Таблица 1 -Прочность синтетических нитей

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

Без НТП Обработка НТП

Мононить ПА 27.0 28.4 5.1

ПП 11.0 12.1 10.0

Комплексная ПЭФ 10.0 10.6 6.0

нить

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

Условное обозначение нитей Параметры обработки Эффект воздействия НТП, %

Давление Р, Па Время обработки т, с Рн 8 н

Нить Узел Нить Узел

60 180 12.1 8.2 -16.3 -5.2

ПП 80 270 9.3 6.8 -14.0 -4.2

100 360 8.6 5.2 -10.3 -3.4

60 180 5.1 4.0 -20.0 -9.5

ПА 80 270 4.8 3.7 -18.5 -8.8

100 360 4.2 3.2 -16.0 -5.6

60 180 8.5 6.3 -8.0 -4.0

ПЭФ 80 270 6.2 5.2 -7.2 -3.4

100 360 4.3 4.1 -6.3 -2.1

Анализ характера кривых Рн=f(Wj) показывает, что изменение Рн не зависит от природы волокнообразующего полимера и плазмообразующего газа, они влияют только на величину характеристик исследуемых механических свойств нитей и диапазона энергии ионов, в котором достигается максимальный эффект воздействия плазмы. Например, в атмосфере воздуха при расходе газа 0.04 г/с диапазон энергии ионов, в котором достигается максимальное значение прочности синтетических нитей, равен 30-42 эВ.

Таким образом, наибольший эффект увеличения прочности нитей (10-12%) достигается при давлении 60 Па и времени воздействия 180с. На основании данных табл. 2 установили, что обычное уменьшение разрывной нагрузки нитей при вытягивании и отделке

компенсируется обработкой в плазме. При испытании 1111 нитей разрывная нагрузка увеличивается от 8,6 до 12%, у ПА - от 4,2 до 10,4%, у ПЭФ - от 4,3 до 8,5%.

Изменения относительного разрывного удлинения в зависимости от времени воздействия потока НТП для синтетических нитей приведены в табл. 1. Максимальный эффект уменьшения относительного удлинения £н в синтетических нитях - до 18%. При увеличении времени экспозиции образцов в плазме от 180 с и выше £н увеличивается. В воздушной плазме изменение относительного удлинения несколько меньше, чем в атмосфере аргона.

Большей частью синтетические высокомолекулярные материалы в виде нитей используются как ткань. Для удержания формы из них делают клееный композит из основного материала и подкладочной ткани с использованием полимерного клеящего материала. Проклейка происходит при температуре 125 0С в течение 10 с.

Из приведенных зависимостей видно, что для увеличения прочности и уменьшения деформируемости нитей из синтетических волокон НТП-обработку в ВЧЕ-разряде необходимо осуществлять при расходе газа 0.04 г/с (в аргоне) и при безрасходном режиме (в атмосфере воздуха), времени экспозиции 180 с, давлении 60 Па и мощности разряда 0,75-1 кВт.

Синтетические нити используют не только как соединительный элемент, но и в виде ткани. Форму ткани придают за счет дублирования подкладочной тканью с использованием термоклеящихся полимерных материалов, например полиэтилена. Чем меньше температура и время склеивания, тем более технологичной будет процесс склеивания.

В результате обработки высокочастотным разрядом удалось понизить температуру склеивания до 125 0С и время выдержки до 10 с. При этом видно (рис. 3), что при времени обработки 180 с в ВЧ- разряде пониженного давления усилие на разрыв повышается при энергии ионов выше 55 эВ, а в случае увеличения времени обработки происходит понижение усилия на разрыв по отношению к контрольному образцу.

Рис. 3 - Влияние энергии ионов на усилие на разрыв клееного соединения тканей «Сютинг» и «Прокломерин», склеенных полиэтиленовой пленкой

Полиэтилен высокого давления (ПЭ) исследовали в виде пленки. Изменение химического состава контролировалось по ИК-спектрам МНПВО в спектральной области 2004000 см 1 по стандартной методике. Согласно полученным спектрам низкотемпературная плама практически не изменяет химический состав поверхностных слоев. До воздействия плазмы на ИК- спектрах полиэтилена отмечалось незначительное поглощение, вызванное водой или карбоксильными, кетонными и альдегидными группами, и интенсивные характерные полосы поглощения -СНз, - СН2, - СН - групп, которые находились в трех облас-

_1

тях: 3000-2000, 1475-1300, 725 см . После обработки образцов пленки в плазме при мощности разряда до 1,5 кВт незначительно уменьшилась интенсивность поглощения в областях валентных и деформационных колебаний метильных и метиленовых групп. Наблюдаемое уширение полос валентных и деформационных колебаний СН2- группы свидетельствует об усилении межмолекулярного взаимодействия в аморфных областях полиэтиле-наи и ее упорядочивании. Сохранение дублета маятниковых колебаний СН2- группы при 720 см-1 указывает на отсутствие изменений в кристаллических областях.

Из полученных данных можно сделать вывод, что происходит объемная обработка как самих нитей, так и ткани из синтетических материалов. ИК-спектры синтетических материалов показывают упорядочивание аморфной фазы, а кристаллическая фаза не изменяется. Повышается прочность нитей и ткани на 12%. У обработанных тканей повышается усилие на разрыв клееного соединения на 20%.

Экспериментальная часть

Работа проводилась на высокочастотной плазменной установке с частотой генерации 13.56 МГц, мощностью разряда 0.7 - 3.2 кВт, с динамическим вакуумом от 13 до 130 Па, расходом плазмообразующего газа от 0 до 0.1 г/с. В качестве плазмообразующего газа использовался аргон, воздух. Скорость откачки из вакуумной камеры 5 - 50 дм3/с.

Динамический вакуум измеряли манометром на основе диодного механотрона. Схема прибора позволяет измерять разряжение от 0.6 до 1330 Па.

Распределение энергии ионов и плотность ионного тока на поверхность определяли с использованием анализатора энергии ионов на основе цилиндрического конденсатора.

Для технологического измерения параметров разряда использовали одиночный электростатический зонд с высокочастотным фильтром.

Проведена серия опытов с наиболее типичными видами полимерных материалов, применяемых в обувной промышленности: полиэтиленом, полипропиленом, полиэфиром и полиамидом.

Дублировали ткани «Сютинг» (смешанные из полиэфирных и визкозно-полиэфирных волокон), подкладочную «Прокломерин» (смешанный из полиэфирных и полиамидных волокон) и для склеивания использовали полиэтиленовую пленку.

Дифрактограммы снимались на «Дрон 3».

Литература

1. И.Ш. Абдуллин, М.Ф. Шаехов // Вестник Казанского технол. ун-та. 2002. №1-2. С. 75-78.

© Р. Г. Ибрагимов - асп. каф. технологии конструирования швейных изделий ЮТУ; Л. Ю. Махот-кина - канд. техн. наук, доц. то же кафедры; М. Ф. Шаехов - канд. техн. наук, докторант каф. технологии кожи и меха КГТУ.