Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное материаловедение достигло больших успехов к создании материалов, используемых для изготовления изделий легкоіі промышленности, с высокими показателями физико-механических, физико-химических свойств. В процессе эксплуатации внешним воздействиям (механическим, физическим, химическим) подвергаются,р первую очередь, поверхностные слои материалов, и от их прочности, стойкости зависят добротность, долговечность изделии. Поскольку именно с поверхности начинаете;! механическое разрушение, коррозия, старение, в технологиях переработки материалоп применяются различные методы поверхностной модификации. В металлообработке -наклеп, азотирование, цементация, вц'ганение, в технологии строительных материалои - аппретирование серой, смолами, полимерами, в технологии текстильных материалов, кожи и меха - дубление, поверхностное крашение и т.д. Традиционные методы модификации поверхности изделий текстильной, кожевенмо-меховой промышленности создают ряд проблем, важнейшими из которых являются дефицит сырьевых и энергетических ресурсов, загрязнение атмосферы и промьішлепиих стокоз, и не всегда могут удовлетворить всё возрастающие запросы истребителей.
Уменьшить остроту указанных проблем позволяет использование, например, в текстильной промышленности плазмохимпческой технологии, характеризующейся меньшим потреблением химических реагентов и загрязнением окружающей среды. Однако, плазмохимические методы модификации имеют ограниченные области применения за,счет того, что всег;;;-. связаны с изменением химических свойств материалов. Вместе с тем имеется разновидность плазменной обработки, которая используется для воздействия на металлы и их сплавы, полупроводники, стекла, полимеры, без пдазмохимпчеекпх реакций - это ф.нзичегчля модификация в неравновесной низкотемпературной плазме (НТП). Преимущество такого метода заключается в отсутствии химических превращений на обрабатываемой плазмой поверхности и неизменное химического состава полимеров. В связи с этим в настоящее время ведутся исследования по установлению закономерностей изменения эксплуатационных, потребительских и технологических свойстл полимерных материалов за счет структурной и физической модификации их поверхности путем плазменного воздействия. Однако, пока в этой области отсутствуют систематические' исследования, которые могли бы дать полное представление-о закономерностях изменения свойств волокнистых полимерных.материалов различной природы (текстиль, ко-.ка, мех) п зависимости от технологических; параметров плазмы, до сих пер
не разработана физическая модель процесса взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с волокнистыми высокомолекулярными материалами, имеющими капиллярно-пористую структуру.
. Исследование взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с волокннстыл»! полимерными материалами и создание па их основе технологических процессов плазменной физической модификации позволят управлять свойствами материалов для различных условий эксплуатации и назначения изготовляемых из них изделий, а также позволят интенсифицировать процессы переработки сырья, полуфабрикатов.
Цель и задачи исследования. Целью работы является комплексное улучшение эксплуатационных, потребительских, защитных и технологических свойств материалов, используемых для изготовления изделии легкої! промышленности, путем создания и внедрения процессов и специального оборудования для обработки текстильных, кожевенно-меховых материалов неравновесной низкотемпературной плазмой, обеспечивающих изменение и оптимизацию свойств волокнистых капиллярно-пористых тел из органических вшео'тгалекулярных-соединений.
Выбор объектоа исследования для реализации поставленной цели исходил из широты их применения в легкой промышленности, в быту, набором ценных гигиенических, эксплуатационных и потребительских свойств и возможностей электрофизической модификации, обусловленных химическим строением и структурнО'Топологическим типом. Это -материалы из целлюлозы, как представителя жесткоцепных полимеров растительного происхождения, из коллагена дермы кожного покрова, как представителя высокомолекулярных соединений животного происхождения, из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полиамида, полиэтилентерефталата, как представителей синтетических полимеров.
В качестве модификатора, исходя из целей работы, использовалась
высокочастотная плазма низкого давления. .
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Теоретически обосновать возможность модификации высокомолекулярных соединений волокнистой структуры с помощью потока низкотемпературной неравновесной плазмы и экспериментально определить основные факторы, ответственные за изменение свойств различных материалов, используемых в легкой промышленности.
-
Разработать физическую модель процесса модификации волокнистых капиллярно-пористых органических материалов с помощью неравновесной низкотемпературной плзз>с.\
3. Исследовать влияние неравновесной низкотемпературной плазмы инертных, активных газов и их смесей на свойства волокнистых полимерных материалоп растительного, животного и химического происхождения.
!. На осногс результатов теоретического и экспериментального
исследований электрофизическом модификации волокнистых
высокомолекулярных органических полимеров рассмотреть возможность создания технологических процессов, позволяющих получать материалы с заданными технологическими и эксплуатационными показателями.
Решение указанных задач проводилось по следующим направлениям:
разработка математической модели ВЧ-разряда, позволяющей определить параметры плазменной обработки;
определение фам'Оров, влияющих на изменение свойств материалов на основе анализа теоретически" расчетов и экспериментальных исследований параметров потока высокочастотной плазмы при взаимодействии с волокнистыми высокомолекулярными соединениями;
рассмотрение н определение основных физических процессов, влияющих на модификацию материалов;
разработка качественной физической модели взаимодействия неравновесной низкотемпературной ВЧ-плазмы с волокнистыми капиллярно-пористыми органическими материалами и проверка ее адекватности;
исследование влияния неравновесной низкотемпературной плазмы на широкий ассортимент текстильных нитей, тканей, дермы кожного покрова животных н продуктов ее переработки, подвергнутых перед и после плазменной обработки воздействию механических, физических и физико-химических факторов;
исследование изменения эксплуатационных характеристик изделий из волокнистых полимеров от режимов плазменной обработки, разработка основ рациональной технологии обработки я определение оптимальных областей применения индукционного и емкостного иЧ-разрядон
разработка статистической модели процесса взаимодействия ВЧ-плазмы низкого давления с высокомолекулярными волокнистыми материалами, которая описывает зависимость физико-механических свойств материалов от основных обобщенных параметров ВЧ-разряда;
'определение оптимальных режимов формирования материалов с заданными свойствами;
исследование особенностей применения на различных стадиях переработки текстильного и кожевенно-мехового сырьа плазменного воздействия для интенсификации технологических процессов с сохранением требований к качеству получаемых полуфабрикатов, материалов и изделий;
pa :р;;бот;;а поаых ісхасг.огиі] подготовительных if отделочлых прсыл'одста текстильной н !:о".-::ібє:іііо-мєхопоП промышленности с использованном ііиакотемпературнаґї нлазмь! ВЧ-разряда;
нспьпачиа подых технологических и технических реніе";,іі, реал!пуіо:н>:х сформулированные прлцили^алып.'.г положения в області: исследования п получения модифицированных материалов с ьысокпмп ію;-:;і"іЗісл.'іл;і! прочности, устойчивости к деформации, х воздействию дкепіпсП и технологической среды, предмаздачеиимх для изготовления одежды, обуан п >.:: "угкх изделий легкой промышленности.
:чо;:Сіруктішпа:і разработка вариантов БЧ-пдазменпых установок ;гі.ч обработки нитей, тканей и натуральне!! коки.
kU::;:ndu:;;: ucacdoGCtuwi. В диссертационной работе для решения поставленных задач применен комплекс сущест:.;, оілдх современных п создаїлп,!.--; понмх методик песледозанлй.
Изучение характеристик модифицированных материалов включает
исследования структур',!, состава, фізико-механических и физико-
химических свойств. Для этого применены рентгепоструктурпыП;
электронно-микроскопический, ешктрофотометрпческип, Иї-С-
спектроскопическнй, ЭПР- анализы, метод: гравиметрии, с использованием стандартных Методик оценки свойств используемых материален;. Исследовались следующие характеристики: прочность, деформация, жесткость, истираемость, водопоглощенис и смачша емость, капиллярность, усадка, адгезия и стойкость материалов к действию температуры.
Для исследования параметров неравновесной низкотемпературной плазмы примелем измерительный комплекс, состоящий из:
СВЧ-измерителя, позволяющего определять концентрацию электронов; .
миниатюрных магнитного зонда н пояса Роговею -о для измерения параметров электромагнитного поля в плазме;
- модернизированной трубки Пито для определения скорости потока
неравновесной низкотемпературной плазмы;
. - калориметрической системы для определения мощности разряда, мощности струи;
- системы измерения электронной температуры и энергии ионов.
Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением
методой математической статистики. Результаты теоретических исследований получены с использованием метода математического аоделпроялппя.
./...'.,..... . "-.', ./.'.'.";. ; .'...:: .: ОПІИі.О .' .:, '::. -J ;-П.'.. . '.... . t
'іО-'депе-впе при низком давлении :i ди;чо>;оне :ч!сч;':іп оонов і-.)-7-0 o;.> а-Те-спе іііг.тл модчф-п.-' дню смеашол і; внутренней пОвср !. Установлен диапазон изменения основных параметров струнной ВЧ-плвзменноп обработки п;мі шгисо:-' даг.лсшш: энергии і:оі:ои V/, от 10 до 90 эВ, плотности иенпего тока js от 0,! до 3 Дм'*, степени термическое! неравиовесностн Тс/'Га от 3 до 90 (где Тс-оле:-г!рС!шая температура, Та-тс-мперлтура аю :;;_), при котором происходит эффективная модификация капиллярно-перистых волоки истых полимерных материалов. Построена качественная физическла моделі, изменения свойств капиллярно-пористых волокнистых высокомолекулярных материалов под воздействием поті):.'./.-, неравновесием низкотемпературной ВЧ-плвзмы, Установлено, что данный вид обработка позволяет получат» материалы с качественно новыми свойствами (одновременно повышенной прочностью, пористостью и зодопогдещгпием, бсктерчщщюешо, алгезнопнои прочностью.) I. Установлено, что нанболылий эффект тоздеііствия достигается с помощью ВЧЕ - разряда при. частоте 13,56 МГц. Донный вид разряда, позволяет упрочнять, стихать деформацию, умешипать истираемость, ИОЯишатЬ /ICeCTlCCCTI. ИЛ ПЗГИО, НЗМСІІПЬ ПОГЛОІНОНИе ТСКСТИЛЬПЫХ 11(1 ген. ткачей, кожи, нетканых материалов из растительного и синтетического сырь.т, повышать стойкоегь і; действию температуры кожа, изменять свойства пленочных материалов. На защиту выносятся: 1. Результаты экспериментальных исследований пзаимодействия потоков неравновесной низкотемпературно:! плазми її волокнистых высокомолекулярных капиллярно-пористых тел, устанавливающие, что основными параметрами процессов модификации, определяющими спенетса обрабатываемых материалов являются энергия ионов W;, ионный тел: J, па его поверхность и степень термической перавновесностп Т,/Га. Оптимальный диапазон этих параметров для разработанных методов модификации: W,= i0-90 :,)1, j>0,;-3 Лм\ Т/ї>3-';>(). Физическая модель процесса модификации капиллярно-пористых волокнистых тел -органической природы потоком неравновесной низкотемпературной плазмы. Результаты исследований процессов взаимодействия потока неравновесной низкотемпературной плазмы с текстильными нитями, тканями, натуральной кожей, синтетическими пленочными материалами. Основы рациональной технологии плазменной модификации сырья, полуфабрикатов и готовой продукции текстильного и кожевенио-мехового производств. Результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований по созданию образцов ВЧ-плазменных установок, предназначенных для реализации предложенных процессов модификации. Установленную взаимосвязь между химической природой г.олокнообразующего полимера, природой его происхождения, структурой материалов (нить, ткань и -нетканый материал, кожа, пленка) и эффективностью плазменной обработки. Выявленные особенности влияния плазменной обработки на протекание процессов выделки кожи, подготовки и отделки текстильных нитей н тканей. Выявленный эффект интенсификации отдельных стадий технологических процессов переработки текстильного и кожевенио-мехового сырья и полуфабрикатов. Разработанные способы огнезащитной отделки льняных тканей, производства бактерицидных медицинских шовных нитей, повышения адгезионной прочности лицевого слоя натуральной коки, клеевого крепления верха обуви и подошвы, клеевых прокладочных материалов с основными деталями одежды. Практическая значимость работы: - разработан принципиально новый метод модификации волокнистых полимеров в изделиях лёгкой промышленности, позволяющий решить задачу придания им определенных заданных свойств, регулировать эти свойства в широких пределах, в частности прочность, деформируемость, износостойкость, гндрофилыюсть, поглощение теплостойкость, адгезию, бактернцидность, пористость, он намного эффективнее и экономичнее чисто химической, термической, механической модификации (уменьшается расход реагентов, уменьшается количество экологически вредных компонентов в процессах переработки сырья, полуфабрикатов и отделки готовых изделий, происходит интенсификация технологических процессе; с участием мо'міфгілирпвашшх кап:?-!;":ллг -в -4-5 і ггз;. Нз\- гЬт= ппзве.'-л.пых экспериментальных исследований взаимодействия плазмы с капиллярно-пористыми волокнистыми . материалами разработаны процессы модификации, позволяющие. п одном технологическом цикле производить упрочнение материалов без нагрева с одиопремеиным увеличением смачиваемости поверхности, ускорением процессов диффузии химических реагентов вглубь волокнистого материала. даны практические рекомендации "по оптимальным режимам модификации и принципиальные технологические схемы осуществления процесса электрофизической модификации полимерных волокнистых материалов различного назначения; показана возможность увеличения механической прочности и повышения фшнко-химической активности поверхности, что приводит к интенсификации процессов переработки волокнистых материалов в готовые изделия и повышению долговечности последних в условиях эксплуатации; на основе синтетических полимеров внедрен новый материал (бактерицидные шовные нити); разработай метод плазменного упрочнения растительных полимеров; разработан процесс огнестойкой отделки ткани »з льняной пряжи; создан процесс плазменной активации при изготовлении кожи, позволяющий интенсифицировать процесс выделки и улучшать ее' эксплуатационные характеристики; промышленные испытания прошли технологические процессы сборки обуви клеевым методом крепления и дублирования деталей швейных изделий с использованием низкотемпературной плазмы ВЧ- разряда; выявленные закономерности электрофизической модификации прнложимы не только к целлюлозе и коллагену, но п более широкому кругу полимеров и материалов на их основе как эффективный метод придания заданных механических и физических свойств. Результаты диссертационной работы использованы на Казанском ТПОО «Спартак», АО «Сафьян», ОАО « Казанский льнокомбинат», ГНПП «Мединструмент», АО «Адонис». Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованные технологические.разработки, обеспечивающие решение'ряда важных прикладных задач легкой промышленности, имеющих- большое народно-хозяйственное и социальное значение и заключающихся в создании комплекса новых процессов модификации капиллярно-пористых волокнистых материалов и изделий из них, которые в сочетании с разработанным оборудованием позволяют управлять технологическими, эксплуатационными, потребительскими и защитными свойствами изделий с помощью обработки струйным ВЧ-разрядом ничкого давления. Апробация работы и публикации. Основные результаты работы (г. Екатерннбург,1996г), Международной конференции по микроскопии твердого тела (г. Казань, 1996 г), Международной научно-технической конференции "Молодая наука - новому тысячелетию" (г. Наб. Челны, 1996г), І-оіі региональной межвузовской конференции (г. Иваново, 1996 г), 2-ой республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов (г. Казань, 1996 г), 'Региональной научно-технической конференции (г.Вологда, 1996 г)," Международной научной конференции (г. Иваново, 1997 г), Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии текстильной промышленности» (Текстиль-97 г. Москва, 1997 г), на научной сессии КГТУ (г. Казань, 1997 г). Основные результаты исследования изложены в 16 публикациях, указанных в конце автореферата и трех патентах на изобретения. Личный ек.ь;д автора в опубликованных в соавторстве работах, состоит в постановке цели и задач исследований, выборе методики эксперимента, непосредственном, участии и проведении экспериментов, анализе и обобщении экспериментальных результатов, в разработке матемапіческоГі модели процесса физической модификации, формулировке научных вьшодов. Вклад автора является решающим во всех разделах работы. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из дпедеппя, 6 глав, общих выводов, библиографии из 329 наименования и
докладывались на научно-технических конференциях Казанского
государственного технологического университета, на Международной
конференции "Прогресс-95" (г. Иваново, 1995г), Международном конгрессе
текстильной и легкой промышленности "Прогресс-96" (г. Иваново, 199бг),
Международной научно-технической конференции "Экономические
проблемы хранения.и использования вторичного сырья" (г. Римкни, Италия,
199бг), Международном симпозиуме "Экология и безопасность
жизнедеятельности, научно-прикладные аспекты, инженерные решения"
(г. Волгоград, 1996г), Международной научно-технической конференции
"Вакуум-96" (г. Казань, 1996г), Всероссийском симпозиуме "Структура и
сиойства материалов" (г. Москва, 1996г), 8-ой Международной конференции
молодых ученых "Синтез, исследования свойств, модификация и переработка
высокомолекулярных соединений" (г. Казань,1996г), Международной
конференции "Леи-9б" (г. Кострома. 1996г), Международном семинаре
"Новые тсхнолопш-96" (г. Казань,1996г), 8-ой конференции по физике
газового разряда (г. Рязань, 199бг), 6-ой Всероссийской научной конференции
"Проблемы теоретической и экспериментальной химии"Похожие диссертации на Волокнистые высокомолекулярные материалы легкой промышленности в процессах обработки потоком плазмы ВЧ-разряда
