автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Регулирование свойств многофункциональных текстильных и пленочных материалов для улучшения эксплуатационных показателей защитных швейных изделий специального назначения

На правах рукописи

ХАММАТОВА ЭЛЬМИРА АЙДАРОВНА

РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ И ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗАЩИТНЫХ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2013 . пг„

5 ДЕК ДШ

005542490

005542490

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Абуталипова Людмила Николаевна

Официальные оппоненты: Шарнина Любовь Викторовна доктор технических

наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико - технологический университет», профессор кафедры химической технологии волокнистых материалов

Киселев Михаил Владимирович доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет», проректор по научной работе

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Защита состоится «26» декабря 2013 года в 1^.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.09 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Н.В.Тихонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основные тенденции развития экономических отношений и жесткая конкуренция на мировом рынке требуют повышения эксплуатационных свойств материалов для производства защитных швейных изделий специального назначения. Выполнение этих требований невозможно без совершенствования производственных процессов или внедрения наукоемких, прогрессивных технологий.

Актуальность производства высококачественных многофункциональных текстильных материалов (МТМ), которые одновременно удовлетворяют множеству требований, часто противоречащих друг другу, в настоящее время не вызывает сомнений. Это обусловлено тем, что использование специальных швейных изделий в экстремальных условиях внешней среды требует обеспечения высокого уровня защиты в течение всего срока эксплуатации.

Эффективность водозащитной функции швейных изделий специального назначения зависит в равной степени от свойств применяемых текстильных и пленочных .материалов, и от совершенствования технологических процессов в сфере текстильного производства, где материалы подвергаются механическим и физико-химическим методам воздействия.

В настоящее время существует ряд методов, позволяющих улучшать показатели свойств как основных текстильных материалов, так и пленочных, используемых для герметизации швов защитных швейных изделий на основе применения соответственно комбинированной технологии: для тканей - направленная модификация систем материалов с использованием традиционных (механических, термических, химических, электрохимических) способов ; для пленок - механические и физико - химические блокирующие воздействия, осуществляемые при герметизации швов, которые из-за ряда недостатков не нашли широкого применения в производстве текстильных изделий специального назначения. Поэтому решение проблемы необходимо осуществлять комплексно, путем разработки нового метода модификации многофункциональных текстильных материалов на основе использования потока «холодной» плазмы пониженного давления и метода структурирования полимерной дисперсии наночастицами серебра для получения многофункционального пленочного материала (МПМ) с целью герметизации швов защитных швейных изделий. Известные традиционные способы обработки не позволяют получить МТМ и герметизирующие МПМ с улучшенными эксплуатационными свойствами, а в ряде случаев повышение одних показателей свойств приводит к ухудшению других, требуют наличия специального оборудования и дополнительных производственных площадей, отличаются высокой трудоемкостью, токсичны и экологически небезопасны. Их осуществление сопровождается трудностями, вызванными особенностями соединения композиционных материалов с полимерными покрытиями.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы -улучшение комплекса свойств МТМ и герметизирующего МПМ, за счет обработки потоком «холодной» плазмы пониженного давления.

Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском технологическом университете в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственные контракты № 14.513.11.0068 и № 14.В37.21.0815) по плану аспирантской подготовки.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка многофункциональных текстильных и пленочных материалов различной физической природы, обеспечивающих повышение показателей эксплуатационных свойств защитных швейных изделий специального назначения за счет обработки потоком «холодной» плазмы пониженного давления.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: проведена оценка современного состояния разработок в области создания МТМ и МПМ для герметизации швов защитных швейных изделий, отвечающих комплексу производственных и эксплуатационных требований;

- осуществлен выбор объектов и методик исследований для определения комплекса свойств МТМ и герметизирующего МПМ;

- исследовано влияние потока «холодной» плазмы пониженного давления на свойства МТМ и герметизирующего МПМ, предназначенных для изготовления защитных швейных изделий специального назначения;

- разработана схема технологического процесса модифицирования МТМ с герметизирующим МПМ с использованием плазменной обработки для улучшения показателей свойств защитных швейных изделий специального назначения.

Общая характеристика объектов и методов исследований. Объектами исследований являлись: МТМ для спецодежды с водоотталкивающей пропиткой «Климат Standard 250А» (арт. 81429), ткань защитная с ПЭ пленочным покрытием «ЗПМ 216/4», полиэфирно - хлопковая ткань «Премьер Standard 210» (арт.81423), а в качестве герметизирующего МПМ-полиуретановая дисперсия «Аквапол 11». структурированная наночастицами серебра.

При решении поставленных задач использовалась плазменная установка, а также стандартные методы и средства исследования свойств материалов: разрывной нагрузки и относительного удлинения при разрыве тканей (ГОСТ 3813-72), стойкости материалов к истиранию (ГОСТ 9913-90), жесткости (ГОСТ 8977-74), адгезионной прочности при расслаивании ткани с полиуретановой пленкой (ГОСТ 28966.1-91), гигроскопичности (ГОСТ 3816-81), водоупорности (ГОСТ 51553-99), стойкости к агрессивным средам: растворам кислоты, щелочи, нефти (ГОСТ 12.4.220-2002), стойкости к морской воде (ГОСТ 9733.9-83) и термостойкости (ГОСТР 12.4.234-2012).

Для исследования химического состава, структуры контрольных и модифицированных образцов МТМ и МПМ, применялись следующие методы: ИК -

спектроскопия, ренгенографический фазовый анализ (РФА), электронно-микроскопические исследования поверхности и поперечного среза на конфокальном лазерном сканирующем ЗБ микроскопе. Измерения осуществлялись в соответствии с нормативно-технической документацией в научных лабораториях ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» и Центра коллективного пользования «Нанотехноло-гии и наноматериалы» ФГБОУ ВПО «КНИТУ», аккредитованного 22.06.2013г. № Росс 1Ш 0001.517413.

Обработка результатов проводилась на ПЭВМ с использованием методов математической статистики и регрессионного анализа. Оптимизация параметров технологических процессов осуществлялось в программе «БгаПБиса 6.0». Погрешность результатов оценена с помощью методов статистической обработки экспериментальных данных при доверительной вероятности 0,95.

Достоверность научных положений, выводов обеспечены использованием современных аттестованных измерительных средств и апробированных методик испытаний согласно ГОСТ; анализом точности измерений; согласованностью теоретических результатов с собственными экспериментальными данными и данными эксперимента; с применением апробированной математической модели наноструктурирования герметизирующего МПМ, основанной на фундаментальных законах, а также современных методах решения.

Метрологическое обеспечение исследований осуществлялось с целью реализации требуемого технического уровня и точности измерений при выполнении исследовательской работы, связанной с проведением измерительного эксперимента входных параметров плазменной установки; оценки правильности выбора системы их измерений и методик выполнения измерений показателей физико-механических и защитных свойств; обеспечения проведения измерений на поверенном оборудовании; контроля соответствия условий проведения измерений эксплуатационным документам применяемого исследовательского оборудования; осуществления метрологической оценки результатов измерений свойств материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработаны МТМ и герметизирующий МПМ, обладающие улучшенными показателями качества : высокими адгезионной и разрывной прочностью, относительным удлинением, минимальной жесткостью, повышенной стойкостью к агрессивным средам и морской воде, циклическим деформациям за счет их обработки потоком «холодной» плазмы пониженного давления.

2. Предложена математическая модель процесса наноструктурирования МТМ и герметизирующего МПМ на основе полиуретановой дисперсии с использованием плазменной обработки, передачи кинетической энергии «быстрых» атомов звеньям полимерной цепи на внутренних поверхностях микро- и нанопор. Уменьшение диаметров пор и возникающей межфазной границы между атомами плазмо-образующего газа и полимером способствуют сокращению проницаемости полимерной полиуретановой дисперсии в 1,5 - 2раза.

3. Впервые показано, что воздействие ионного потока плазмы пониженного давления для повышения адгезионной прочности МТМ и МПМ происходит за счет модификации структуры межфазной границы, образованной между МТМ и герметизируемым МПМ. Установлено, что максимальная глубина проникновения атомов плазмообразующего газа в поверхностный слой полимерных материалов составляет 10 мкм, при этом около 95% их находится в слое толщиной 2 мкм.

4. Впервые установлено, что показатель стойкости к агрессивным средам ( растворам кислоты, щелочи, нефти) и морской воде модифицированных МТМ и герметизирующего МП М зависит от вида плазмообразующего газа. Применение инертного газа - аргона в процессе плазменной обработки материалов позволяет значительно повысить показатель стойкости к агрессивным средам и морской воде.

5. Установлено, что плазменная обработка оказывает дегазирующее действие на пропитывающий состав водоотталкивающей отделки. Кроме того, плазменная обработка материалов приводит к увеличению межмолекулярного взаимодействия с участием различных функциональных групп, более полному протеканию релаксационных процессов и снижению остаточных напряжений как с изнаночной, так и лицевой стороны, а также возможной кристаллизации и выделению новых фаз. Следствием этого является повышение механических характеристик МТМ и герметизирующего МПМ.

6. Предложена новая схема технологического процесса модифицирования МТМ с герметизирующим МПМ на основе полиуретановой дисперсии, структурированной наночастицами серебра, направленная на герметизацию отверстий от прокола иглы при изготовлении изделий специального назначения с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Практическая значимость работы.

1. Определены технологические режимы воздействия плазмы, позволяющие направленно регулировать показатели физико-механических и защитных свойств МТМ и герметизирующего МПМ.

2. Обработка потоком «холодной» плазмы пониженного давления позволяет комплексно повысить свойства МТМ для спецодежды с водоотталкивающей пропиткой: разрывную нагрузку на 24 % и относительное удлинение на 16 %; стойкость к истиранию на сгибах и по поверхности на 27 %; термостойкость на 18 %; гигроскопичность до 6,2 %; водоупорность на 24 %; стойкость к нефти на 72%, щелочи на 64 % , кислоте на 58 %, морской воде на 32 %, преимущественно в плазмообразующем газе аргон. В смеси газов аргон - пропан - бутан физико-механические свойства материалов увеличиваются на 11 %, стойкость к агрессивным средам - 48 %, как с лицевой, так и изнаночной стороны, в зависимости от вида агрессивной среды, а жесткость снижается - на 12 % (по сравнению с контрольными необработанными образцами и видами материалов).

3. Выявлено, что плазменная модификация композиционного материала, состоящего из МТМ и герметизирующего МПМ, позволяет: повысить адгезионную прочность при расслаивании на 106 %, разрывную нагрузку на 38 % и относи-

тельное удлинение на 21 %, стойкость к истиранию на 45 %, гигроскопичность до 5,9 %, водоупорность на 46 %, термостойкость на 22 %; уменьшить жесткость при изгибе на 10 % по сравнению с контрольными образцами; увеличить стойкость к агрессивным средам: к нефти на 95 %; кислоте на 75 %; щелочи на 81.2 % и стойкость к морской воде на 40 %.

4. Определено, что плазменная обработка позволяет увеличить время воздействия агрессивных сред (нефти, щелочи, кислоты) и морской воды на композицию МТМ+ герметизирующий МПМ более чем в 1,5 - 2,0 раза по сравнению с МТМ при одновременном повышении их физико-механических характеристик.

5. Разработана схема энерго- и ресурсосберегающей комплексной технологии получения МТМ с регулируемыми показателями эксплуатационных свойств за счет применения как герметизируемого МПМ на основе полимерной дисперсии, так и обработки потоком «холодной» плазмы. Проведены опытно-промышленные испытания материалов на ОАО «КазХимНИИ» (г. Казань), по результатам которых имеются протоколы испытаний. Суммарный экономический эффект от внедрения технологии получения модифицированных МТМ и герметизирующего МПМ с применением потока «холодной» плазмы пониженного давления составляет 1,4 млн. рублей на 550 тыс. погонных метров материалов за счет улучшения их физико-механических и эксплуатационных характеристик.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1.Результаты экспериментальных исследований, доказывающие, что плазменная обработка способствует комплексному улучшению показателей свойств МТМ и герметизирующего МПМ.

2.Результаты воздействия плазмы на текстильные и полимерные герметизирующие материалы, вызывающего конформационные изменения в полимерах, уплотнение их структуры, что способствует повышению адгезионной прочности композиционного материала при расслаивании и стойкости к действию агрессивных сред.

3.Математическая модель процесса наноструктурирования МТМ и герметизирующего МПМ, а также взаимодействия ионного потока плазмы с целью повышения водоупорности материалов, применяемых для производства защитных швейных изделий специального назначения.

4.Результаты экспериментальных исследований, устанавливающие, что изменение поверхностных свойств модифицированных МТМ и МПМ в зависимости от используемого плазмообразующего газа и режима плазменной обработки влечет за собой изменение показателей стойкости к агрессивным средам (растворам кислоты, щелочи, нефти) и морской воде.

5.Результаты исследований, показывающие, что плазменная обработка не вызывает деструкции полимерных материалов, а приводит к увеличению межмолекулярного взаимодействия с участием различных функциональных групп, более полному протеканию релаксационных процессов и снижению остаточных напряжений

как с изнаночной, так и с лицевой стороны МТМ за счет упорядочения аморфной и увеличения доли кристаллической фазы полимера.

6. Рекомендации по созданию новых плазмомодифицированных материалов с заранее заданными свойствами, отвечающих комплексу производственных и эксплуатационных требований и предназначенных для изготовления изделий специального назначения.

Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованные технологические разработки по регулированию показателей эксплуатационных свойств МТМ и герметизирующего МПМ, которые обеспечивают решение комплекса задач по сохранению стойкости защитных материалов к воздействию производственных факторов.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит: в выборе и обосновании методик экспериментов; непосредственном участии в их проведении и разработке математической модели процесса наноструктурирова-ния МТМ и МПМ с использованием потока «холодной» плазмы; анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов, в разработке рекомендаций по использованию МТМ и МПМ в технологическом процессе герметизации шва при изготовлении защитных швейных изделий специального назначения. Вклад автора является основным при выполнении работы на всех стадиях.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Международных конференциях и симпозиумах: V Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Москва- Иваново, 2008); Международной научно - технической конференции - «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности» (Москва, 2010); II Международной научно - практической конференции «Дизайн: новые взгляды и решения» (Казань,2010); Международной научной конференции «Современные наукоемкие технологии» (Израиль, 2010); VI-VIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности» (Казань, 2010-2012); Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии в текстильной и легкой промышленности» (Москва, 2010-2011), XXXVII Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2010), Международной конференции «Физика высокочастотных разрядов» ICPRFD (Казань, 2011), Международной научной школе «Актуальные проблемы науки о современных методах формообразования изделий легкой промышленности из полимерных материалов» (Москва-Казань, 2011), Международной научной конференции «Плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы» (Казань, 2012);

- Всероссийских научно - технических и научно - практических конференциях: I Всероссийской научно - практической конференции «Дизайн: новые взгляды и решения» (Казань, 2007); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации»(Новосибирск, 2007);

I Всероссийской научно - технической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань, 2010);

- Региональных межвузовских конференциях: Республиканская школа студентов и аспирантов «Жить в XXI веке» (Казань,2010); научной сессии КНИТУ (Казань, 2009 -2012).

- Международных и всероссийских конкурсах научных работ: Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий «Форум Роснанотех» (Москва, 2010); Всероссийском конкурсе научно-технического творчества студентов и аспирантов вузов «ЮНЭКО 2009» (Москва, 2009); Всероссийском открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов вузов РФ по техническим наукам» (Москва, 2010).

Основные результаты работы изложены в 38 публикациях, из которых 17 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 13 в материалах конференций, 5 тезисах и 3 конкурсах на лучшую научную работу студентов и аспирантов вузов РФ по техническим наукам, где стала победителем двух конкурсов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из четырех глав. В тексте приведены ссылки на 227 литературных источника. Работа изложена на 193 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 19 таблиц и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные результаты диссертации, их научная новизна и практическая значимость, представлены основные положения, выносимые на защиту, и структура диссертации.

В первой главе обоснован выбор направления исследования, проведен анализ требований, предъявляемых к материалам защитных швейных изделий специального назначения. Проанализирован современный ассортимент МТМ, применяемых для изготовления защитных швейных изделий специального назначения, обладающих высокой устойчивостью к воздействию воды и агрессивных сред в различных условиях эксплуатации, а также значительным сопротивлением к истиранию и прочностью на изгиб. Систематизированы традиционные методы повышения эксплуатационных свойств текстильных и пленочных материалов. Представлен обзор публикаций, в которых рассматривается использование электрофизических методов для модификации материалов, применяемых в легкой промышленности. Проведено обобщение результатов теоретических исследований, что позволило сформулировать основные задачи работы.

Во второй главе приведено описание плазменной установки и методов измерений параметров потока «холодной» плазмы пониженного давления, представлены характеристики объектов исследования, а также методики оценки их физико-

механических и защитных свойств, методы исследования структурных преобразований в результате плазменного воздействия на МТМ и МПМ.

Экспериментальные исследования структуры и свойств МТМ и МПМ проводили с использованием государственных стандартов, исследовательского оборудования с учетом норм точности измерений и методик выполнения измерений. Процесс обработки результатов экспериментальных исследований осуществляли методом математической статистики и регрессионного анализа. Оптимизацию параметров технологических процессов проводили в программе (^аЙБЙса 6.0».

В качестве объектов исследования выбраны достаточно востребованные текстильные ткани для специальной одежды с содержанием природных и синтетических волокон, общие характеристики которых представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Общие характеристики тканей для специальной одежды

Наименование тканей Артикул Состав волокон, % Переплетение Состав пропитки лицевая сторона/ изнаночная сторона

Хлопок Вискоза/ лавсан Полиэстер

«Климат Standard 250А» 81429 35 - 65 Саржевое водоотталкивающая / полиуретановая

«Премьер Standard 210» 80016 35 - 65 Саржевое без пропитки

«ЗПМ 216/4» 216/4 - 66 34 Полотняное полиамидное пленочное покрытие

В работе использовался МПМ на основе водной полиуретановой дисперсии, структурированный наночастицами серебра, полная характеристика которого приведена в табл. 2.

Таблица 2- Характеристики полиуретанового пленочного материала, структурированного наночастицами серебра

Наименование показателей Ед. изм. Технические характеристики

Массовая доля сухого вещества % 41,1

Вязкость мПа.с 282

Водородный показатель рН усл. ед. 7,5

Содержание наносеребра в водной дисперсии % 0,3

Разрывная прочность МПа 10 — 20

Условное напряжение при удлинении 100% МПа 1,4 — 5,0

Относительное удлинение при разрыве % 350 — 500

Твердость по Кенигу усл. ед. 0,15 — 0,20

Обработку объектов исследования проводили с использованием плазменной установки, создающей поток «холодной» плазмы, где температура воздействия на образцы не превышала 35-45°С. Входные параметры плазменной установки регулировали путем изменения расхода газа (О) 0,02-0,08 г/с, мощности разряда (\УР) 0,1-

2,0кВт, давления в разрядной камере (Р) 13,3-60 Па, продолжительности обработки (т) 1-10 мин. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон, и смесь газов аргон - пропан-бутан в соотношении 70/30 % соответственно.

Проведена оценка погрешности результатов экспериментальных данных эксплуатационных характеристик МТМ и герметизирующего МПМ с доверительной вероятностью 0,95.

В третьей главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований изменения структуры и эксплуатационных свойств МТМ под воздействием герметизирующего МПМ, структурированного наночастицами серебра, и потока «холодной» плазмы пониженного давления.

Для исследования взаимодействия потока низкоэнергетичных ионов с поверхностью образца провели количественные оценки с помощью математической модели на основе метода Монте-Карло. Вероятностную модель пористой структуры образца, наполненного полиуретановой дисперсией, строили следующим образом. Слои в элементарной ячейке нумеровали от поверхности вглубь образца. С помощью нескольких генераторов равномерно распределенных случайных чисел для слоя с номером к определяли диаметры макро-, микро- и нанопор с/к . Так, суммарный объем пор в зависимости от вида полимера составлял 10'9- 3-Ю"8 м3/г, размер пор от 0,3 до 2 мкм.

Затем определяли пористость слоя как отношение общей площади сгенерированных пор к площади сечения элементарной ячейки. Для элементарной ячейки полимера поперечное сечение выбирали таким образом, чтобы вдоль одной из сторон располагалось 5-10 микропор. Размеры элементарной ячейки рассматриваемого образца составили 10х 10x100 мкм3. Высоту ячейки подбирали так, чтобы все электроны/ионы с вероятностью 100 % попали на поверхность образца. В случае получения общей пористости образца меньше заданной диаметры пор продолжали генерировать до тех пор, пока общая пористость слоя не достигла заданного значения. В результате первого этапа получили модельное распределение пор в элементарной ячейке в виде случайного набора диаметров

Для каждого слоя генерировали также равномерное распределение по объему слоя наночастиц серебра, при этом диаметры наночастиц определяли также случайным образом согласно нормальному закону распределения, после чего вычисляли суммарный объем и массу наполнителя в слое. Таким образом, вероятностная модель пористой структуры текстильного образца вместе с наполненной полиуретановой пленкой МПМ представляет собой последовательность векторов:

где Мк — число микропор в к-м слое; <*> , /=1; Д^ - диаметр <-й микропоры в к-м

слое; ^-суммарный объем частиц наполнителя в слое.

Затем имитировали проникновение атомов плазмообразующего газа в поры. Моделировался равномерно поступающий поток ионов, последовательно прохо-

11

¿¿V)

(1)

дящий сквозь все слои элементарной ячейки. Для слоя к определяли вероятность р попадания заряженной частицы на поверхность микропоры как отношение площади сечения пор в слое к площади поперечного сечения элементарной ячейки:

i. {/,«»!. (2)

С целью достижения статистической достоверности результатов проводили тысячу численных экспериментов и подсчитывали количество атомов, попавших на поверхность микропоры в каждом слое. Согласно полученным данным, максимальная глубина проникновения атомов плазмообразующего газа в поверхностный слой образца составляет 10 мкм, при этом около 95 % их задерживается в слое толщиной 2 мкм. Однако, вследствие большой площади на межфазной границе между атомами плазмообразующего газа и полимером, проницаемость МПМ на основе наполненного полиуретана после обработки в потоке «холодной» плазмы уменьшается, в аргоне практически в 1,5-2 раза. С целью подтверждения результатов математического моделирования проведены исследования краевого угла смачивания МТМ (арт.81429) до и после плазменной обработки в режиме: Wp=l,7 кВт, G=0,04 г/с, Р=26,6 Па, т=6 мин, f=13,56 МГц, в различных плазмообразующих газах. Наилучшие результаты наблюдались при обработке в плазмообразующем газе аргон: водоупорность материала «Климат Standard 250А» в этом случае повышалась на 27 % за счет увеличения количества замкнутых пор, которые практически не поглощают воду, что согласуется с результатами математического моделирования.

Специфика ткацкой структуры МТМ «Премьер Standard 210», а именно, саржевое переплетение, при котором на лицевой стороне ткани располагаются нити из полиэстера, а на изнаночной (к телу) - из хлопка, обеспечивает двойной эффект плазменной модификации. При этом улучшаются потребительские (прочностные и гигиенические) свойства ткани: на 27 % увеличивается стойкость лицевой стороны к истиранию и на 6,2 % возрастают сорбционные свойства изнаночной стороны.

С помощью лазерного сканирующего 3D микроскопа LEXT4000 при увеличении в 512 раз проводили оценку влияния потока «холодной» плазмы пониженного давления на внутреннюю структуру МТМ с водоотталкивающей пропиткой (арт. 81429). Анализ микрофотографий показал, что поверхность контрольного образца (рис. 1а) текстильного материала «Климат Standard 250А» с водоотталкивающей пропиткой, как с изнаночной, так и с лицевой стороны имеет неоднородную и шероховатую поверхность. У МТМ, обработанного потоком «холодной» плазмы пониженного давления, поверхность с лицевой стороны становится более гладкой, а с изнаночной - более неоднородной (рис. 16 ). Это обеспечивает лучший воздухообмен, хорошую гигроскопичность со стороны тела, а образование с лицевой стороны ткани поверхностного слоя способствует лучшему удержанию воды от проникновения в поры.

В случае нанесения на ткань специальных гидрофобных покрытий поры в основном закупориваются. Пропитки создают на поверхности материала сплошную пленку, которая сообщает ему водоупорность, при этом поры ткани могут оказаться частично закрытыми и для молекул кислорода. Другие гидрофобные пропитки оставляют поры материала открытыми для воздухообмена. В этом случае придание водоотталкивающих свойств основано на образовании в порах ткани поверхностного слоя, который удерживает воду от проникновения через поры, а водоупорность обусловливается соотношением сил притяжения между частицами

лицевая сторона изнаночная лицевая сторона изнаночная

а) б) Рисунок 1-Микрофотографии поверхности текстильного материала х512: а) контрольный образец; б) опытный образец (Wp= 1,7 кВт, GAr=0,04 г/с, Р=33 Па, т=6мин,/= 13,56 МГц) На следующем этапе исследовали влияние плазменной модификации на показатели разрывной нагрузки в двух вариантах: I вариант ( МТМ «Климат Standard 250А») и II вариант(МТМ+ герметизация МПМ). В первом варианте экспериментально установлено, что максимальные показатели прочности МТМ (рис. 2) достигаются в плазмообразующем газе аргон (на 24 %). Воздействие плазмы позволяет не только упрочнять МТМ, но и одновременно повышать разрывное удлинение в плазмообра-зующем газе аргон на 22%, а в смеси газов аргон - пропан-бутан на 16 %. дрн,% 25 _-а—__Рисунок 2 — Влияние вре-

мени обработки потоком «холодной» плазмы на разрывную нагрузку МТМ

5 fg^-----1-~ —^ 1,7 кВт,

ok G=0,04 г/с,

2 4 6 8 Р=33 Па,

т=6мин,

-♦-аргон |ширина) -«-аргон (длина) у= 13,56 МГц)

-А—аргон • пропан (ширина) ——аргон-пропан (длина)

Во втором варианте исследовали влияние плазменной обработки на композицию в целом, состоящую из МТМ и герметизирующего МПМ, что дает возможность повысить ее прочность по основе на 38 %, а по утку на 20,2 %. Изменение прочности композиционного материала (МТМ+МПМ) после обработки в смеси плазмообразующего газа

13

аргон - пропан-бутан отличается менее чем на 10 %. Установлено, что чем выше прочность волокон МТМ, тем прочнее адгезионное соединение. В результате проведенного эксперимента выявлено, что адгезионная прочность при расслаивании модифицированного композиционного материала увеличивается на 106 % и адгезионное соединение интенсивно протекает на границе раздела фаз МТМ - МПМ. При воздействии потока «холодной» плазмы значительно возрастает адгезионная прочность при расслаивании клеевой пленки за счет увеличения площади адгезионного контакта образовавшейся клеевой пленки с МТМ, что обусловливается непосредственно функциональными адгезионно - активными группами полиуретана и склеиваемой поверхности.

Результаты исследования стойкости композиционного материала (МТМ+МПМ) к истиранию показывают, что после воздействия потока «холодной» плазмы пониженного давления она увеличивается при обработке в аргоновой плазме на 45 % в зависимости от вида материалов. Кроме того, варьируя параметрами обработки «холодной» плазмой пониженного давления, можно регулировать жесткость тканей. В атмосфере аргона при в = 0,04 г/с; т =180 с; Р = 33 Па жесткость снижается на 10 %. На основании анализа полученных результатов установлено, что устойчивость эффекта повышения прочности МТМ после плазменного воздействия сохраняется в течение 35-40 дней, затем монотонно уменьшается на 16% и через 70-90 дней достигает остаточного значения, которое в 1,5 раза превышает прочность тканей до плазменной обработки.

В работе методом рентгенографического фазового анализа оценены изменения в структуре полиуретанового пленочного материала, происходящие под влиянием наночастиц серебра (МПМ [), под воздействием плазмы (МПМ п), а также при совместном действии плазмы и наночастиц серебра (МПМ ш). Из представленных на рис. 3 дифрактограмм контрольного МПМ и структурированного серебром видно, что в исходном образце преобладает рентгено-аморфная фаза: интенсивность полос выше, они имеют вид широких дифракционных линий. Образцы МПМ , с содержанием наночастиц серебра характеризуются узкими дифракционными максимумами, что свидетельствует о наличии реитгенокристаллической фазы.

В целом же, дифракционные спектры МПМ п и МПМ ш идентичны, но по сравнению с дифрактограммами МПМ и в образцах, при совместном действии плазмы и наночастиц серебра прослеживается возрастание интенсивности размеров кристаллических областей и уменьшение размеров аморфных участков, что свидетельствует о значительном упорядочении структуры полимера за счет образования новых центров кристаллизации.

Таким образом, увеличение содержания кристаллической фазы способствует повышению разрывной нагрузки и адгезионной прочности при расслаивании на границе раздела фаз между МТМ и герметизирующим МПМ.

Дифракционные спектры МТМ с водоотталкивающей пропиткой (арт.81429) до и после плазменной обработки совпадают полностью.

Рисунок 3 -Дифрактограшш полиуретанового пленочного материала: образец с наноча-стицами серебра (синий цвет), образец -без наночастиц серебра (зеленый цвет)

(\¥р= 1,7 кВт, вАг=0,04 г/с, Р=33 Па, Т=6мин, /=13,56 МГц)

Межплоскостное расстояние, А

Методом ИК спектроскопии исследовали структурированный МПМ до и после плазменной обработки. Установлено, что существенных отличий не наблюдается. Видны полосы, ответственные за уретановые группы в области 1710-1725 см"1. После обработки плазмой появляется пик 1693 см"1 характеризующий водородную связь уретановой группы. Проведенные исследования структуры МТМ и МПМ показали, что изменение поверхностных и эксплуатационных свойств материалов обусловлено как упорядочиванием аморфной фазы, так и образованием сшивок и прочных связей между макромолекулами волокна и полимером. Также отмечено, что после плазменной обработки образуется дополнительное количество водородных взаимодействий, что вносит свой вклад в увеличение прочностных показателей и адгезионную прочность связи клеевого соединения композиционного материала (МТМ+МПМ). Однако, учитывая, что МТМ эксплуатируется при температуре от - 30°С до +40°С, положительное влияние этих взаимодействий остается.

Проведены исследования влияния потока «холодной» плазмы пониженного давления на стойкость материалов к действию агрессивных сред (нефти, щелочи и кислоте) и морской воды. В качестве критерия оценки выбрана разрывная нагрузка. В результате исследований установлено, что модификация МТМ в плазме аргона более эффективна. Она позволяет повысить стойкость к действию морской воды - на 40 %, нефти - на 98 %, щелочам - на 82 %, кислотам - на 77%. Обработка МТМ в плазме, содержащей смесь газов аргон-пропан-буган, вызывает незначительное улучшение этих показателей: стойкость к морской воде - на 11%, а к действию агрессивных сред - на 48 %, в зависимости от вида (нефть, кислота, щелочь).

По полученным результатам установлено, что поток «холодной» плазмы пониженного давления способствует управлению показателями свойств МТМ и МПМ, структурированного наночастицами серебра за счет регулирования входных параметров установки.

Четвертая глава посвящена разработке схемы технологического процесса модифицирования МТМ с герметизирующим МПМ потоком «холодной» плазмы пониженного давления, которая позволяет создавать новые материалы с заранее заданными свойствами, отвечающие комплексу производственных и эксплуатационных требований и предназначенные для изготовления изделий специального назначения.

Суммарный экономический эффект от внедрения технологии получения модифицированных МТМ и герметизирующего МПМ с применением потока «холодной» плазмы пониженного давления составляет 1,4 млн. рублей на 550 тыс. погонных метров материалов за счет улучшения их эксплуатационных характеристик.

ВЫВОДЫ

1. Впервые созданы новый МТМ и МПМ, обработанные потоком «холодной» плазмы пониженного давления (в режиме Wp=l,7 кВт, G=0,04 г/с, Р=26,6 Па, т=6 мин, f= 13,56 МГц) в плазмообразующем газе аргон и смеси газов аргон - пропан-бутан.

2. На основе экспериментальных исследований установлено, что плазменная обработка улучшает физико - механические свойства МТМ и МПМ: повышает разрывную нагрузку на 24 и 38 % соответственно, относительное удлинение на 16 и 21 %, стойкость к истиранию на 27 и 45 %; термостойкость на 18 и 22 % и гигроскопичность до 6,2 %, а также снижает жесткость - на 12 % .

3. Выявлено, что на эффект улучшения устойчивости плазмоактивированного материала к агрессивным средам (растворам кислот, щелочи, нефти) и морской воде влияет вид плазмообразующего газа. В результате плазменной модификации материалов в среде аргона показатель стойкости к агрессивным средам увеличивается на 95 %, к морской воде на 40%, а в смеси газов аргон - пропан-бутан соответственно на 48 % и 11 %, как с лицевой, так и изнаночной стороны, в зависимости от вида агрессивной среды.

4. Установлено, что устойчивость плазменного эффекта образцов снижается в течение 90 суток (к механическим воздействиям на - 6,5 %, а стойкость к агрессивным средам на 12,5%), затем эти показатели стабилизируются и остаются в 1,5 раза выше, по сравнению с необработанными тканями.

5. На основании результатов теоретических исследований с применением математического моделирования процесса обработки МТМ и герметизирующего МПМ в «холодной» плазме пониженного давления установлено, что максимальная глубина проникновения атомов плазмообразующего газа в поверхностный слой полимерных материалов составляет 10 мкм, при этом около 95 % их находится в слое толщиной 2 мкм. Воздействие плазмы сопровождается уменьшением диаметра пор и модификацией структуры межфазной границы, образованной между МТМ и герметизируемым МПМ. Это способствует уменьшению проницаемости полимерной полиуретановой пленки в 1,5-2 раза, и, следовательно, повышению их водоупорности соответственно на 27 и 46 %, а также увеличению адгезионной прочности ком-

позиционного материала при расслаивании на 106 %.

6. Установлено, что плазменная обработка материалов приводит к увеличению межмолекулярного взаимодействия с участием различных функциональных групп, более полному протеканию релаксационных процессов и снижению остаточных напряжений как с изнаночной, так и лицевой стороны, за счет упорядочения аморфной фазы и увеличения кристаллической фазы. Следствием этого является повышение механических характеристик МТМ и герметизирующего МПМ.

7. Доказана возможность применения МПМ на основе полиуретановой дисперсии, структурированной наночастицами серебра, в качестве герметизирующего материала. По показателям воздействий агрессивных сред и температуры (морской воды, нефти, щелочи, кислоты, высоких температур) герметизирующие МПМ относятся к категории «стойкие».

8. Предложена новая схема технологического процесса модифицирования МТМ с герметизирующим МПМ на основе полиуретановой дисперсии, структурированной наночастицами серебра, потоком «холодной» плазмы пониженного давления, направленная на получение материалов специального назначения с регулируемыми показателями свойств. Суммарный экономический эффект от ее внедрения составил 1,4 млн. рублей на 550 тыс. погонных метров материалов.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях: Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Абдуллин, И.Ш. Исследование механических свойств полимерных материалов из целлюлозо - содержащих волокон после плазменной обработки [Текст] /И.Ш.Абдуллин, Э.А. Хамматова//Вестник Казанского технологического ун-та. - 2010. -№ 10.-С. 170-175.

2. Хамматова, Э.А. Влияние потока плазмы на микроструктуру и свойства текстильных материалов для проектируемых моделей одежды [Текст] /Э.А. Хамматова, И.Ш.Абдуллин, В.В. Хамматова // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2010. -№ 6. -С. 59-64.

3. Хамматова, Э.А. Влияние структуры на формообразование костюмов с использованием полимерных материалов // Вестник Казанского технологического ун-та -2010. -№ 10.-С. 176-179.

4. Хамматова, Э.А. Разработка полимерного материала с заданными свойствами для улучшения формообразования авторских моделей одежды [Текст] /Э.А. Хамматова // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2010. -№ 11. - С. 154-158.

5. Хамматова, Э.А. Получение полимерно - текстильного материала с повышенными гигроскопическими свойствами для моделей специальной одежды [Текст] / Э.А. Хамматова, В.В. Хамматова // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2011. - Х° 6 -С. 158-161.

6. Хамматова, Э.А. Модифицированный природный полимерный материал как основа создания объемной формы швейного изделия [Текст] / Э.А. Хамматова // Вестник Казанского технологического ун-та.-2011.-№ 14.-С. 146-149.

7. Хамматова, Э.А. Роль полимерного материала в создании формы костюма [Текст] /Э.А. Хамматова // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2011. - № 14. - С. 146-149.

8. Хамматова, Э.А. Влияние полимерных материалов на формообразование костюма [Текст] /Э.А. Хамматова // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2011 - № 7 -С. 289-291.

9. Хамматова, Э.А. Формообразование тектонических систем материалов на основе полимерных волокон [Текст] /Э.А. Хамматова // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2011. - № 8. - С. 335-337.

10. Хамматова, Э.А. Получение формы костюма с использованием полимерного материала[Текст] /Э.А. Хамматова // Вестник Казанского технологического ун-та. -

2012.-Л» 14.-С. 160-162.

11. Хамматова, Э.А. Влияние структуры волокнообразующего полимера на создание формы одежды [Текст] /Э.А. Хамматова // Вестник Казанского технологического унта.-2012,-№ 14.-С. 162-164.

12. Хамматова, Э.А. Проектирование формы одежды из полимерных материалов с использованием бодисканера и размерной типологии населения Республики Татарстан [Текст] /Э.А. Хамматова //Вестник Казанского технологического ун-та. - 2012. -№23.-С. 106-108.

13. Хамматова, Э.А. Применение модифицированного многофункционального пленочного материала для герметизации швов защитных швейных изделий специального назначения [Текст] /Э.А. Хамматова // Швейная промышленность. - 2013. - N° 4 -С. 33-34.

14. Хамматова, Э.А. Разработка метода получения многофункциональных пленочных материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами для изготовления защитных швейных изделий специального назначения [Текст] /Э.А. Хамматова, Е.А. Мекешкина - Абдуллина, К.Э. Разумеев // Швейная промышленность. - 2013. - К» 4. -С. 38-40.

15. Хамматова, Э.А. Создание многофункционального пленочного материала с улучшенными адгезионными свойствами [Текст] /Э.А. Хамматова, Л.Н.Абуталипова, Е.А. Мекешкина - Абдуллина // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2013. - № 14.-С. 144-147.

16. Хамматова, Э.А. Плазменная обработка как способ повышения разрывной нагрузки много-функционального пленочного материала [Текст] /Э.А. Хамматова, Л.Н.Абуталипова, Е.А. Мекешкина - Абдуллина // Вестник Казанского технол. ун-та -

2013.-Х» 17.-С. 140-141.

17. Абдуллин, И.Ш. Математическое моделирование процесса наноструктурирования полимерных дисперсий [Текст] /И.Ш.Абдуллин, B.C. Желтухин, Э.А. Хамматова, Р.М.Асхатов //Вестник Казанского технологического ун-та. - 2013. - № 17. - С 108112.

Публикации в материалах конференций и сборниках:

18. Хамматова, Э.А. Теоретический анализ взаимосвязи формы одежды со свойствами текстильных материалов [Текст] / Э.А. Хамматова, В.В. Хамматова // Сборник статей I Всеросс. научно-практической конференции «Дизайн: новые взгляды и решения». - Казань, КГТУ, 2007. - С. 89-92.

19. Хамматова, Э.А. Разработка новых текстильных материалов для создания формы в одежде [Текст] / Э.А. Хамматова // Сборник статей I Всеросс. научной конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», часть 2. - Новосибирск, НГТУ, 2007. - С. 204-206.

20. Абдуллин, И.Ш. Технологические свойства целюлозосодержащих текстильных материалов плазменной модификации, влияющих на форму проектируемого изделия [Текст] /И.Ш.Абдуллин, Э.А. Хамматова // Сборник статей V Межд. симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. - Иваново, ИГХТУ, 2008. - С. 410-413.

21. Абдуллин, И.Ш. Использование материала плазменной обработки для создания моделей одежды [Текст] /И.Ш.Абдуллин, Э.А. Хамматова // Сборник материалов межд. научно-технической конференции - «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности». - М.: РосЗИТЛП, 2010. — С. 4- 8.

22. Хамматова, Э.А. Формоустойчивый материал плазменной обработки как основа при создании моделей одежды [Текст] / Э.А. Хамматова, И.Ш.Абдуллин, В.В.Хамматова // Сборник статей II Межд. научно-практической конференции «Дизайн: новые взгляды и решения». - Казань, КГТУ, 2010.-С. 73-78.

23. Хамматова, Э.А. Использование текстильного наноматериала для создания одежды [Текст] / Э.А. Хамматова // Материалы Межд. научной конференции «Современные наукоемкие технологии». - Израиль, РАЕ, 2010. - С. 176- 177.

24. Хамматова, Э.А. Создание формы современного костюма с использованием наноматериала плазменной обработки [Текст] / Э.А. Хамматова, И.Ш.Абдуллин // Материалы VI Межд. научно - практ. конференции студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности». - Казань, КГТУ, 2010. - С. 185187.

25. Абдуллин, И.Ш. Модифицированный текстильный материал плазменной обработки как основа при создании моделей одежды [Текст] / И.Ш.Абдуллин, Э.А. Хамматова // Сборник статей I Всеросс. науч.-техн. конф. «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий». - Казань, АН РТ, 2010. - С. 136-143.

26. Хамматова, Э.А. Теоретические и экспериментальные исследования получения формы швейных изделий из текстильных материалов обработанных потоком плазмы высокочастотного емкостного разряда [Текст] / Э.А. Хамматова, В.В.Хамматова // Материалы I Межд. конференции «Физика высокочастотных разрядов» ICPRFD (Казань, 2011). - Казань, КГТУ, 2011. - С. 290-291.

27. Хамматова, Э.А. Проектирование новой формы костюмов на основе применения инновационных материалов [Текст] / Э.А. Хамматова // Материалы Межд. научной школы «Актуальные проблемы науки о современных методах формообразования изделий легкой промышленности из полимерных материалов». - М.: ИИМ, 2011. - С. 118-120.

28. Абдуллин, И.Ш. Модифицированный текстильный материал плазменной обработки как основа при создании моделей одежды [Текст] / И.Ш.Абдуллин, Э.А. Хамматова, Л.Н. Абутапипова // Сборник статей Межд. научной конференции «Плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы». - Казань, КНИТУ, 2012. - С. 298-300.

29. Хамматова, Э.А. Создание объемно - пространственной формы костюма с использованием полимерного материала [Текст] / Э.А. Хамматова// Материалы Межд. научной школы «Нанотехнологии и методы проектирования изделий из полимерных материалов». - Казань, КНИТУ, 2013. - С.103-108.

30. Хамматова, Э.А. Разработка текстильного материала с повышенными гигроскопичными свойствами для моделей специальной одежды [Текст] /Э.А. Хамматова, Л.Н.Абуталипова //Сборник статей I Межд. научно - практ. конф. «Модели инноваци-

онного развития текстильной и легкой промышленности». - Казань КНИТУ 2013 -

С. 172-175.

Тезисы докладов:

31. Хамматова, Э.А. Влияние свойств материалов и конструктивных особенностей на форму одежды [Текст] / Э.А. Хамматова, Л.Н.Абдуллин // Научная сессия - Казань КГТУ, 2009. - С. 255.

32. Хамматова, Э.А. Формообразование моделей одежды е в процессе обработки потоком плазмы ВЧЕ - разряда пониженного давления [Текст] / Э.А Хамматова, Л.Н.Абдуллин, В.В. Хамматова // XXXVII Межд. конф. по физике плазмы и УТС -Звенигород, КГТУ, 2010. - С. 325.

33. Хамматова, Э.А. Проектирование моделей одежды на основе модифицированных текстильных материалов плазменной обработки [Текст] / Э.А. Хамматова, Л.Н.Абдуллин // Научная сессия.- Казань, КГТУ, 2010. - С. 273.

34. Хамматова, Э.А. Наноматериал плазменной обработки как основа формообразования моделей одежды [Текст] / Э.А. Хамматова, Л.Н.Абдуллин // I Межд. научно -практ. конф. «Нанотехнологии в текстильной и легкой промышленности» - М • МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2010. - С. 28.

35. Хамматова, Э.А. Улучшение формообразования авторских моделей одежды на основе применения полимерных материалов плазменной модификации [Текст] / Э.А. Хамматова // II Межд. научно- практ. конф. «Нанотехнологии в текстильной и легкой промышленности». -М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2011.-С. 30-32.

Конкурсы научных проектов среди студентов и аспирантов вузов РФ:

36. Хамматова, Э.А. Высокочастотная плазменная обработка текстильных материалов для повышения качества и внешнего вида одежды [Текст] /Э.А. Хамматова // Всероссийский смотр-конкурс научно-техн. творчества студентов и аспирантов высших учебных заведений "«ЮНЭКО 2009». - М.: Министерство образования и науки РФ, «Интеграция», 2009. - 33с. (свид-во и золотая медаль «Национальное достояние»),

37. Хамматова, Э.А. Высокочастотная плазменная обработка текстильных материалов для повышения формообразования и формоустойчивости моделей одежды [Текст] /Э.А. Хамматова // Всероссийский конкурс научных работ студентов вузов РФ по направлению «Лазерные и плазменные технологии, квантовая и атомная оптика на-нофотоника». - Набережные Челны, КГИЭА, 2009. - 30с. (Диплом финалиста).

38. Хамматова, Э.А. «Художественное проектирование и формообразование современных моделей одежды на основе применения текстильных материалов модифицированных низкотемпературной плазмой» [Текст] /Э.А. Хамматова // Всероссийский открытый конкурс на лучшую научную работу студентов вузов по техническим наукам. - М.: Министерство образования и науки РФ, 2009. - 33с. (медаль и свидетельство «За лучшую научную работу», приказ 470 от 25.05.2010).

Соискатель ЭА' Хамматова

Выражаю искреннюю благодарность к.т.н., доценту ЕЛ. Мекешкиной - Абдулли-ной, принимавшей участие в постановке задач работы, проведении экспериментов и обсуждении их результатов.

Заказ № ¿J<i__Тираж »00.чкч

Офсетная лаборатория КНИТУ 420015 г. Казань, ул. К.Маркса, 6 8

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический

университет»

На правах рукописи

04201450961

ХАММАТОВА Эльмира Айдаровна

РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ И ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗАЩИТНЫХ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ СПЕЦИАЛЬНОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.19.01 - Материаловедение производств

текстильной и легкой промышленности

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук, лауреат государственной премии правительства

правительства РФ в области науки и техники, профессор Абуталипова Л.Н.

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения и термины 4

Введение 5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОЦЕССОВ, УЛУЧШАЮЩИХ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЗАЩИТНЫХ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 21

1.1 Текстильные и герметизирующие материалы, применяемые для изготовления защитных швейных изделий специального назначения 21

1.2 Анализ требований к материалам защитных швейных изделий специального назначения 32

1.3 Традиционные методы повышения физических, механических и защитных свойств текстильных и герметизирующих пленочных материалов 36

1.4 Электрофизические методы модификации для создания многофункциональных текстильных и герметизирующих пленочных материалов с комплексом регулируемых свойств 52

1.5 Задачи диссертации 72

2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛАЗМЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СВОЙСТВА ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТНЫХ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 74

2.1 Выбор объектов исследования 74

2.2 Описание высокочастотной плазменной установки и ее 81 характеристик

2.3 Методики и аппаратура для проведения экспериментальных исследований свойств многофункциональных текстильных и пленочных материалов 90

2.3.1 Механические и физические свойства многофункциональных текстильных и пленочных материалов 90

2.3.2 Защитные свойства многофункциональных текстильных и

пленочных материалов 95

2.3.3 Оценка устойчивости свойств многофункциональных текстильных и пленочных материалов после воздействия плазмой 96

2.4 Оборудование и методики исследования структурных характеристик многофункциональных текстильных и пленочных материалов 97

2.5 Статистические способы обработки первичных экспериментальных исследований текстильных материалов 100 Выводы по главе 109

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЗДАНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ И ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ «ХОЛОДНОЙ» ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ 110

3.1 Результаты экспериментальных исследований влияния «холодной» плазмы пониженного давления на физические и механические свойства многофункциональных текстильных и пленочных материалов 110

3.2 Изучение влияния «холодной» плазмы пониженного давления на защитные свойства многофункциональных текстильных и пленочных материалов 131

3.3 Математическое моделирование процесса наноструктурирования композиционного материала потоком «холодной» плазмы 143

3.4 Структурные изменения многофункциональных текстильных и пленочных материалов при воздействии «холодной» плазмы пониженного давления 154 Выводы по главе 166

Глава 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СОЗДАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ И ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОТОКА «ХОЛОДНОЙ» ПЛАЗМОЙ И НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА 168

4.1 Выработка рекомендаций для промышленного применения «холодной» плазмы в производстве многофункциональных текстильных и композиционных материалов структурированных 168 наночастицами серебра.

4.2 Устойчивость эксплуатационных свойств многофункциональных текстильных и герметизирующего пленочного материала структурированного наночастицами серебра для производства швейных изделий специального назначения 171

4.3 Технико-экономическая оценка полученных результатов 174

4.4 Разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных исследований в реальном секторе экономики 178

Выводы по главе 182

ВЫВОДЫ 184

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 186

ПРИЛОЖЕНИЯ 197

з

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

МТМ- многофункциональный текстильный материал;

мпм- многофункциональный пленочный материал;

хп- «холодная» плазма;

нтп- низкотемпературная плазма;

нтд- нормативно - техническая документация;

спз- толщина слоя положительного заряда;

ПУ- полиуретан;

вч- высокочастотный;

р _ А потр мощность, потребляемая установкой;

мощность разряда;

расход плазмообразующего газа;

Р- давление в вакуумной камере;

т - время обработки;

f- частота генератора;

иэ- напряжение на электродах;

иа- напряжение на аноде;

ь- сила тока на аноде;

Нф— напряженность магнитного поля;

Че- концентрация электронов;

плотность ионного тока;

энергия ионов;

1р- ток разряда;

V- скорость плазменного потока;

плотность теплового потока на поверхность материала;

потенциал плазмы;

Wф- фактическая влажность;

Рн- разрывная нагрузка нитей и тканей;

1о- относительное удлинение;

в- жесткость на изгиб;

аЕГ~ относительное увеличение жесткости;

0- краевой угол смачивания тканей;

Прас- адгезионной прочности при расслаивании;

wr- гигроскопичность;

Ву- водоупорность материалов;

р,- термостойкость тканей;

С\ - стойкость к агрессивным средам.

Введение

Актуальность темы. Основные тенденции развития экономических отношений и жесткая конкуренция на мировом рынке требуют повышения эксплуатационных свойств материалов для производства защитных швейных изделий специального назначения. Выполнение этих требований невозможно без совершенствования производственных процессов или внедрения наукоемких, прогрессивных технологий, позволяющих улучшить комплекс показателей качества, в частности адгезионную и разрывную прочность, стойкость к агрессивным средам, термостойкость, а также уменьшить жесткость текстильных и пленочных материалов.

Актуальность производства высококачественных многофункциональных текстильных материалов (МТМ), которые одновременно удовлетворяют множеству требований, часто взаимно противоречащих друг другу, в настоящее время не вызывает сомнений. Это обусловлено тем, что использование специальных швейных изделий в экстремальных условиях внешней среды требует обеспечения высокого уровня защиты в течение всего срока эксплуатации. Такой спрос на спецодежду послужил стимулом для производителей текстиля. Как показывает анализ научной и патентной литературы [1-3], в последние годы во всем мире данные разработки являются приоритетными и непосредственно связаны с созданием так называемого multifunctional textiles {многофункционального текстиля), то есть обладающего многофункциональностью как на поверхности, так и в объеме материала, способностью поглощать, транспортировать и удерживать в своей структуре агрессивную среду и воду, возможностью варьировать в широких пределах физические и механические свойства.

Получение многофункциональных текстильных материалов специального назначения зависит от совершенствования технологических процессов в текстильном производстве, где он подвергается механическим

и физико-химическим методам воздействия. При этом композиционный материал состоит из МТМ и многофункционального пленочного материала (МПМ) на основе водной полиуретановой дисперсии, структурированной наночастицами серебра, которая используется для герметизации мест проколов от иглы защитных швейных изделий специального назначения.

Традиционные способы получения многофункциональных текстильных и герметизирующих пленочных материалов не могут дать желаемых результатов и значительного расширения области их применения. Более широкие возможности при производстве материалов с высокими эксплуатационными свойствами требуют не столько применения новых видов волокон, нитей и герметизирующих материалов, сколько модификации существующих за счет изменения их структуры, поверхностных свойств с целью придания комплекса физических, механических и защитных характеристик [4-8].

В настоящее время существует ряд методов, позволяющих улучшать

показатели свойств как основных текстильных материалов, так и пленочных,

используемых для герметизации мест проколов от иглы защитных швейных

изделий специального назначения, на основе применения комбинированной

технологии: для тканей - направленной модификации систем материалов с

использованием традиционных (механических, термических, химических,

электрохимических) способов; для пленок - механических и физико -

химических блокирующих воздействий, которые из - за ряда недостатков не

нашли широкого применения в производстве защитных швейных изделий

специального назначения [9-10]. Поэтому решение проблемы необходимо

осуществлять комплексно, путем применения метода модификации

многофункциональных текстильных и пленочных материалов с

использованием потока «холодной» плазмы пониженного давления. Известные

традиционные способы обработки не позволяют получить МТМ и

герметизирующие МПМ с комплексом улучшенных показателей качества, а в

б

ряде случаев повышение одних свойств приводит к ухудшению других, требуются наличия специального оборудования и дополнительных производственных площадей, отличаются высокой трудоемкостью, токсичны и экологически небезопасны. Реализация данных способов сопровождается трудностями, вызванными особенностями соединения МТМ с полимерными герметизирующими покрытиями.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы - улучшение комплекса свойств МТМ и герметизирующего МПМ из полиуретановой дисперсии, структурированной наночастицами серебра, за счет обработки потоком «холодной» плазмы пониженного давления.

В диссертации изложены результаты работы автора за период с 2007 по 2013 гг. по комплексному экспериментальному исследованию изменения физических, механических и защитных свойств текстильных и герметизирующих пленочных материалов за счет применения процессов плазменной обработки.

Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском технологическом университете в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственный контракт № 14.513.11.0068) по плану аспирантской подготовки.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка многофункциональных текстильных и пленочных материалов различной физической природы, обеспечивающих повышение показателей эксплуатационных свойств защитных швейных изделий специального назначения за счет обработки потоком «холодной» плазмы пониженного давления.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— проведена оценка современного состояния разработок в области создания МТМ и МПМ для герметизации швов защитных швейных изделий, отвечающих комплексу производственных и эксплуатационных требований;

- осуществлен выбор объектов и методик исследований для определения комплекса свойств МТМ и герметизирующего МПМ;

— исследовано влияние потока «холодной» плазмы пониженного давления на свойства МТМ и герметизирующего МПМ, предназначенных для изготовления защитных швейных изделий специального назначения;

- разработана схема технологического процесса модифицирования МТМ с герметизирующим МПМ с использованием плазменной обработки для улучшения показателей свойств защитных швейных изделий специального назначения.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовалась плазменная установка, а также стандартные методы и средства исследования свойств материалов: разрывной нагрузки и относительного удлинения при разрыве тканей (ГОСТ 14236), стойкости материалов к истиранию (ГОСТ 9913-90), жесткости (ГОСТ 8977-74), адгезионной прочности при расслаивании ткани с полиуретановой пленкой (ГОСТ 28966.1-91), гигроскопичности (ГОСТ 3816-81), водоупорности (ГОСТ 51553-99), стойкости к агрессивным средам: растворам кислоты, щелочи, нефти (ГОСТ 12.4.220-2002), стойкости к морской воде (ГОСТ 9733.9-83) и термостойкости (ГОСТ Р 12.4.234-2012).

Объектами исследований являлись: МТМ для спецодежды с водоотталкивающей пропиткой «Климат Standard 250А» (арт. 81429), ткань защитная с ПЭ пленочным покрытием «ЗПМ 216/4», полиэфирно - хлопковая ткань «Премьер Standard 210» (арт.81423), а в качестве герметизирующего МПМ — полиуретановая дисперсия «Аквапол11», структурированная наночастицами серебра.

Для исследования химического состава, структуры контрольных и модифицированных образцов МТМ и МПМ применялись следующие методы: ИК - спектроскопия, ренгенографический фазовый анализ (РФА), электронно-микроскопические исследования поверхности и поперечного среза на конфокальном лазерном сканирующем ЗЭ микроскопе.

Измерения осуществлялись в соответствии с нормативно-технической документацией в научных лабораториях ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» и Центра коллективного пользования «Нанотехнологии и наноматериалы» ФГБОУ ВПО «КНИГУ», аккредитованного 22.06.2013г. № Росс БШ 0001. 517413.

Обработка результатов проводилась на ПЭВМ с использованием методов математической статистики и регрессионного анализа. Оптимизация параметров технологических процессов осуществлялась в программе (^айвйса 6.0». Погрешность результатов оценена с помощью методов статистической обработки экспериментальных данных при доверительной вероятности 0,95.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов обеспечены использованием современных аттестованных измерительных средств и апробированных методик испытаний согласно ГОСТам; анализом точности измерений; согласованностью теоретических результатов с собственными экспериментальными данными и данными эксперимента; применением апробированной математической модели наноструктури-рования герметизирующего МПМ, основанной на фундаментальных законах, а также современных методах решения.

Метрологическое обеспечение исследований осуществлялось с целью реализации требуемого технического уровня и точности измерений при выполнении исследовательской работы, связанной с проведением измерительного эксперимента входных параметров плазменной установки; оценки правильности выбора системы их измерений и методик выполнения измерений показателей физических, механических и защитных свойств;

9

обеспечения проведения измерений на поверенном оборудовании; контроля соответствия условий проведения измерений эксплуатационным документам применяемого исследовательского оборудования; осуществления метрологической оценки результатов измерений свойств материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработаны МТМ и герметизирующий МПМ, обладающие улучшенными показателями качества: высокими адгезионной и разрывной прочностью, относительным удлинением, минимальной жесткостью, повышенной стойкостью к агрессивным средам и морской воде, циклическим деформациям за счет их обработки потоком «холодной» плазмы пониженного давления.

2. Предложена математическая модель процесса наноструктурирования МТМ и герметизирующего МПМ на основе полиуретановой дисперсии с использованием плазменной обработки, передачи кинетической энергии «быстрых» атомов звеньям полимерной цепи на внутренних поверхностях микро — и нанопор. Уменьшение диаметров пор и возникающей межфазной границы между атомами плазмообразующего газа и полимером способствует сокращению проницаемости полимерной полиуретановой дисперсии в 1,5 -2раза.

3. Впервые показано, что воздействие ионного потока плазмы пониженного давления для повышения адгезионной прочности МТМ и МПМ происходит за счет модификации структуры межфазной границы, образованной между МТМ и герметизируемым МПМ. Установлено, что максимальная глубина проникновения атомов плазмообразующего газа в поверхностный слой полимерных материалов составляет 10 мкм, при этом около 95 % их находится в слое толщиной 2 мкм.

4. Впервые установлено, что показатель стойкости к агрессивным средам

(растворам кислоты, щелочи, нефти) и морской воде модифицированных

МТМ и герметизирующего МПМ зависит от вида плазмообразующего газа.

ю

Применение инертного газа - аргона в процессе плазменной обработки материалов позволяет значительно повысить показатель стойкости к агрессивным средам и морской воде.

5. Установлено, что плазменная обработка оказывает дегазирующее действие на пропитывающий состав водоотталкивающей отделки. Кроме того, плазменная обработка материалов приводит к увеличению межмолекулярного взаимодействия с участием различных функциональных групп, более полному