автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Строение и свойства химических волокон и пленок, обработанных лазерным излучением

амурский государственный университет

РГБ ОД

На правах рукописи

] 5 ДЕК 193В УД1{ 678:621.376.826

ИВАНОВА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА

СТРОИШ И СВОЙСТВА ШСГШСКИХ ВОЛОКОН И ПЛЕНОК, ОБРАБОТАННЫХ ЛАЗШШ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Специальность 05.19.01 "Материаловедение" (текстильное, когсзьешю-моховов, оОувноо, швейное)

АВТОРЕЭКРАТ

диссертации на соискание ученой СТ8П8Ш1 кандидата технических наук

Благовещенск - 1595

¿У/у' .

Работа выполнена в Амурском государственном университете и Сашст-Петорбургском государственном университете технологии и дизайна

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Тараканов Б.1.1.

Официальные оппонент: доктор технических наук, профессор Перепелицы К.Е. кандидат технических наук Бояркин К.Е.

Ведущее предприятие: институт технических сукон, г.Санкт-Петербург

Защита состоится 28 ноября 1996 в 12°° часов на заседают диссертационного Совета К 054.52.01 при Амурском государственном университете, ауд.109.

Адрес: 675027, г.Благовещенск, ул.Игнатьевское шоссе, 21. С диссертацией мокно ознакошться в библиотеке университета. Автореферат разослан 28 октября 1996г.

Учений секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, ____

Доцент .L. J Л.А.Путинцева

J Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А к I у а л I н о с т ь: В последнее время созданы новые вида ' химических волокон й текстильных материалов,в том числе, с различными специфическим:! свойствами. В зависимости от строения исходных мономеров, условий и методов получения, а также обработки, они могут обладать заранее заданными свойствами. Эта проблема, целенаправленного изменения строения и свойств химических волокнистых материалов весьма актуальна. Поэтому научно-технический ■ прогресс в отраслях промышленности, таких как текстильная, легкая, химическая и др., невозможен без широкого внедрения новейших . технологий обработки волокно-( и пленко-) образующих полимеров, волокон и текстильных материалов, в частности, с использованием лазерных источников.

Уникальные особенности лазерного излучения (ЛИ) позволили разработать целый комплекс высокопроизводительных технологий обработки волокно- ( и пленко-) образующих полимеров, волокон и текстильных материалов и методов изучения их структуры,и свойств. В настоящее время одним из перспективных направлений лазерных технологий является модифицирование структуры и свойств полимерных материалов, в том числе, волокон и пленок. Современные технологии обработки этих материалов ставят новые задачи, решение которых связано с изучением возможных механизмов передачи энергии ЛИ, поглощенной объектами, при тех или иных способах их обработки.

Исследование особенностей взаимодействия ЛИ с волокно- ( и пленко-) образующий полимерами (волокнвми, пленками) имеет ванное значение: I) при разработке новых технологий лазерной обработки этих материалов; 2) при разработке методов исследования с применением ЛИ; 3) для прогнозирования изменения структуры п свойств . волокно- (пленко-) образующих полимеров, волокон и пленок, с использованием ЛИ.

В этой связи актуальной является разработка научных основ использования ЛИ для целенаправленного изучения и изменения структуры и свойств волокно- (пленко-) образующих полимеров, волокон и пленок.

В данной работе представлены результаты исследований, которые проводились в соответствии с тематическим планом госбвдкетных научно-исследовательских работ СПГУТиД и АмГУ.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование особенностей взаимодей-

ствия инфракрасного ЛИ с волокно-( и пленко-) образующими полиме-раш, волокнами и пленками, и разработка методик обработки и диагностики некоторых физико-механических параметров, с целью изменения их свойств в заданном направлении.

При этом в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- разработка методов контроля структуры и свойств волокно-(пленко-) образующих полимеров (волокон, пленок) с использованием ЛИ;

- исследование возможности изменения уровня молекулярной подвижности при различных режимах лазерной обработки;

- разработка методов прогнозирования изменения структуры и свойств волокно-( пленко-) образующих полимеров при различных условиях лазерной обработки.

Научная новизна.

1. Проанализировано влияние условий лазерного воздействия на оптические свойства волокно-( и пленко-) образующих полимеров. Экспериментально установлено, что при переходе от непрерывного режима облучения к импульсному происходит уменьшение поглощения анергии ЛИ исследуемыми объектами.

2. Экспериментально установлена возможность локализации, анэргии Ж на химических связях при определенных условиях лазерной обработки.

3. Экспериментально обоснован механизм лазерного нагрева волокно- ( пленко- ) образующих полимеров с целью изменения структуры и свойств в заданном направлении.

4. Разработана методика определения температур релаксационных и фазовых переходов в волокно-( и пленко-) образующих полимерах, основанная на изменении пропускания лазерного излучения вблизи температуры переходов.

Б. Разработана методика определения количественного состава нпзкомолекулярного соединения (НМС), входящего в состав полимерного образца, на основе анализа поглощения энергии лазерюго излучения.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов подтверждается большим статистическим массивом экспериментальных данных, определением параметров различными методами, и соответствие полученных экспериментальных дашшх результатам других авторов во всех случаях, когда подобное сопоставление мокио было осуществить.

Практическая значимость и реализация результатов работа. На основе проведенных исследований разработаны и внедрены на предприятиях текстильной и хнмнчоскся промышленности следующие методики определения физико-механических характеристик волокон и пленок:

- методика определения температур релаксационных и фазоЕЧх переходов в волокно-( и пленке-) образующих полимерных материалах;

- методика определения влагосо.держания в ПКА-пленках в условиях хранения и эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуздались и получили пологхи-тельную оценку на заседаниях научно-методических семинаров кафедр физики и материаловедения СПГУТиД и АмГУ, на заседаниях научно-технических семинаров АООТ "Термопласт", г.Санкт-Петербург, Институт Технически Сукон, г. Санкт-Петербург.

Публикации. Результаты работы отражены в 5 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав основного текста, заключения и практических рексмэндациД, основных выводов, списка использованных источников, содержащего 112 наименований, приложений. Текст работы изложен на 1?6 машинописных страницах, содержит 44 рисунка, 21 таблицу и 14 приложений, изложенных на 28 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность теш диссертации. Излокеча научная новизна, поставлеш; цель и обцио задачи лсследо-вания.

I. Литературный обзор.

Проведен анализ работ, посвященных воздействии Ш1фра1срасного ЛИ но волокно-(и пдешео-) образующие полимеры. Показано, что ЛИ достаточно широко применяется при р-зпешш практических задач в текстильном материаловедении. Использование ЛИ создает возмоа-ность более гибкого управления физическими и химическими процос-сег.т по сравнению с прпжэнешмм традиционных методов кодификации.

Исследование структурой превращений, происходящее в поли-

мерных материалах ( волокнах и пленках ) при лазерной обработке, важны как с точки зрения прогнозирования результатов воздействия ЛИ, так е с точки зрения разработки технологических режимов лазерной обработки.

Для волокно-(и пленко-) образующих полимеров процесс релаксации энергии ЛИ происходит иначе, чем в металлах и полупроводниках. Анализ литературных данных показывает, что на сегодняшний день нет теории, которая бы детально описывала процесс взаимодействия ЛИ с этими материалами. Рассмотрен вопрос о диссипации энергии при термическом и лазерном воздействии на основании анализа работ, имеющихся к настоящему времени.

Молекулярное движение в волокно-(и пленко-) образующих полимерах, волокнах и пленках, зависит от структуры и включает в себя большой набор форм движения. Интенсивность молекулярного движения определяется температурой. Несмотря на то, что исследованию температурных переходов посвящено много работ, до сих пор существуют трудности отнесения температурных переходов, связанно как со спецификой методов, применяющихся для их исследования, так и с многообразием структурной организации макроцепей. Рассмотрена специфика молекулярного движения в вологло-(и пленко-) образующих полимерах, т.к. их свойства, в т.ч. и оптические, в значительной степени определяются уровнем молекулярной подвижности.

Рассмотрено влияние ШС, входящих в состав полимерной матрицы, на свойства ( оптические, механические) полимерных материалов. Введение ШС увеличивает эффективность лазерного воздействия, что создает предпосылки для получения заданного комплекса свойств этих материалов при определенных условиях лазерной обработки.

Изучение процессов, происходящих в волокнах и пленках при лазерной обработка имеет важное значение как с точки зрения прогнозирования механизма воздействия ЛИ на полимерные материалы, так и с точки зрения разработки технологических режимов обработки этих материалов. При этом, физические аспекты модификации структуры и свойств этих материалов практически не исследованы.

На основании проведенного обзора литературы показано, что имеется того нерешенных проблем, затрудняющих прогнозирование изменения строения и свойств полимерных материалов при лазерной обработке. В частности, слабо изучен вопрос о роли молекулярной подвижности в процессах диссипации энергии ли, о взаимосвязи оптических свойств с уровнем и характером молекулярной подашиости.

Проблема состоит в установлении связи меяду комплексом релаксационных явлений, строением полимерных систем, тешературными перо-ходами, оптическими и физико-механическими свойствами этих материалов.

2. Методическая часть.

Приводится описание объектов исследования, методик проведения экспериментов и приготовления образцов, краткое описание измерительной аппаратуры.

В основа выбора объектов исследования представлены следующие полгалеры ( волокна, пленки ): ПП, ПЭ, ПЭТФ, ПВХ, ПВО, ПКА.

В датой работе использовался С02~ лазер марки ИЛГН - 701 с длиной ВОЛНЫ А. ~ 10,6 мкм.

Использовались методики принятые в текстильном материаловедении и предусмотренные нормативными документами. Строение и свойства полимерных материалов (волокона, пленки) оценивалось физико-механическими методами и методами ИК-спвктроскопии и рентгено-структурного анализа.

Обработка эксперименталышх дашшх осуществлялась с использованием общепринятых методов математической статистики.

3. Изучение оптических свойств полимерных материалов.

Изучено влияние различных условий лазерного воздействия на поглощение энергии ЛИ. Установлено, что доля энергии ЛИ, поглощаемая волокном (пленкой), зависит не только от плотности потока энергии ЛИ (</о), но и от условий воздействия. Характеристики режимов лазерного воздействия приведены в табл. I, где чи - длительность импульса, П - период. Установлено, что при одном и том же значении плотности потока энергии ЛИ, наблюдается уменьшение поглощения энерпш ЛИ при переходе от непрерывного реипла облучения к импульсному. Показано, что уменьшение длительности имкульса такке приводит к уменьшению поглощения энергии ЛИ. Подобный эффект наблюдается и при уменьпении интенсивности молекулярного движения, например, за счет охлаздения полимерного образца.

Обнаружено влияние НМС, входящего в состав полиг.гарноЯ матрицы, на поглощение анергии ЛИ. При увеличении концентрации НЮ происходит увеличение поглощения энерпш ЛИ.

Полученные в работе экспериментальные результаты нами свое

Таблица I

Рекимы лазерного облучения

т , с и П, С 1 /П и J тах/<<7 > 0 0 режимы облучения

- - I I I

0,0042 0,1250 0,33 3 2-1

0,0013 0,1250 0,10 10 2-2

0,0008 0,0250 0,033 30 2-3

объяснение с позиций анализа влияния молекулярной подвишюсти на процессы релаксации энергии ЛИ. Соотношение мзкду излучательной и безызлучательной релаксациями определяются строением полимерного объекта, а следовательно, состоянием молекулярной подвижности. Чем больше подвижность, тем больше вероятность "снятия" Бозбузде-ния за счет внутри- и мекмолекулярного обмена, что, в свою очередь, уменьпает вклад излучательной составляющей релаксации энергии ЛИ возбужденных. состояний. При "замораживании" молекулярной подвижности, наоборот, увеличивается вклад излучательной составляющей энергии ЛИ.

4. Влияние температуры на

оптические свойства пленко-

образующих полимеров.

Изучено влияние температуры полимерных материалов на поглощение энергии ЛИ. Показано, что температурная зависимость поглощения анергии Ш имеет сложный характер. При этом установлена тесная взаимосвязь мегду температурой ( температурной областью ) перехода, связанной с "размораживанием" молекулярной подвижности определенного типа и поглощением энергии ЛИ.

В общем случае наблюдается увеличение поглощения при размораживании нового типа молекулярной подвижности. Но в ряде случаев, особенно при первом цикле нагревания, было обнаружено умень-шеш:е поглощения энергии ЛИ. Проведонный в работе анализ позволил связать подобные аномалии как с процессами упорядочения структуры, так и с процесса;,31 выхода НМС из состава полимерной матрицы. При втором цикле нагревания, наблюдается увеличение поглощения энергии Ж с ростом температуры, особошю заметное в области тем-

пературных переходов.

Проведогаше эксперименты позволили разработать новую методику исследования молекулярной подвикности, основанную на анализе поглощения энергии ЛИ в волокно- (и плзшсо-) образующих полит,ю-рах. Данный метод определения температур (температурных областей) релаксационных и фазовых переходов достаточно прост, но требует прк'окекия спэцйольпсй сяогзюЯ аппаратуры. Все томюротурн ( температурило области ) исследуемых образцов хорошо согласуются с литературными данными, а в некоторых случаях оказывается более точный;: при определении типз теюторатурного перехода.

5. II з у ч е и и о з л и я и и я и з л у ч о н и я С0р-лазера я. а строение и ф и з и к о -м о х а н и ч е с и и о свойства волокон и п ленок.

Исследование процессов, происходящих в полнмеркк материалах при лагерном облучешз! р.а::зю с точки зрения изучения механизма взаимодействия л К с полп&ргаоа объектами, для прогнозирования жгг'эиеккя строения, я сьсЗстс этих материалов пргд хззериоа обработке, а тою» для оптимизации их параметров и повинэпйя эффективности использования епес":с: лазерных источников излучения.

В датой главе методам! КК-спектроскопии, рентшюструктур-ного анализа и кэтодеиа исследования физико-шханичоских свойств изучаются изменения в молекулярной и надмолекулярной структурах полимерных материалов ( волокон и пленок) при лазерной обработке.

Проведено ИН-спектроскопическое исследование блишгпя инфракрасного ЛИ на структуру пщрофнлышх (ПЕС), и гидрофобных (ПВХ) поязэтров. Объектами исследования служили пленка этих полжорпых материалов. Обработка образцов излучением СО,- лазера осуг.эствля-лесь в непрерывном и плтульспнх регулах ( см.табл. I). В процессе всех ре::з:моз обработки средняя плотность потока енерг::н Л1 (<<70>) оставалась постсяшой. Для оценки характера измсиеяия полос пог-ловдпкя "Ч-спеытрсс использовались их оптические плотности.

Результата лазерного воздействия па исследуете образцы оценивались в сроЕненпи с изпеетшлм процесса:.'.:! тсрмсокислптольноИ деструкп:пт, происходящая в Еигшьких полтора:-: при тормообработ-по. Термообработка осуществлялась пр:М90°С.

Хгяегискне процессы (дегидратация, окнелегенз) л ПЕС, в ре-

зультате которых происходит формирование полксопрякокних (ПСС) и карбопилсодерзащих (КСС) структур в цепях макромолекул поликэра, анализировались по появлению полос поглощения и росту их интен-сивностей в областях (1590-1620) см-1 и (1680-1800) см-1. Конфор-мационое состояние полимера оценивалось по характеру изменения интенсиеностей конформациошю-чувствительных полос поглощения: 850 см-1 ( ^(Cii,)) - в аморфных областях и 1146 см-1 <vg(CC)) -в кристаллических.

Показано, что при термообработке образцов ПВО при IS0°0 существует некоторый временной диапазон ( до I часа прогрева ) в течбнио которого в полимзре происходят, в основном, только кон-форкациошше изменения структуры, протекание которых обеспечивается не процесса'.^ дегидратации, а уходом воды - пластификатора. После часа прогрева фиксируются химические преобразования структуры, обусловленные процессами дегидратации и окисления.

Из анализа МК-спектров ПВС, подвергнутых лазерной обработке, следует, что существует область физических превращений, которая наблюдается пря значениях плотности потока энергии Ли Jo < 3,8 Вт/ил2 при кмпульсиах рейках облучения и Jo < Ъ,л Вт/см2 - непрерывном рэкж.щ. При этом фиксируется изменение интенсивностей

Таблица'2

Значения оптических плотностей конформациошю-чувствительних полос поглощ0Ш1я образцов ПВС, подвергну тих облучению COg-лазерз

J0 850 см -1 II46 см' -1

Вт/см2 ( 7 Г(СЯ )) ' 2 <Vo(C0)) <j

ре ким I 2-1 2 :-2 2-3 I 2-1 2-2 2- -3

ИСХОДНЫЙ 0,60 0,60 0,60 0,60 1,60 1,60 1,60 I, ,60

2,6 0,60 0,63 0,64 0,66 1,70 1,74 1,70 I, ,63

з.е 0,60 0,65 0,65 0,68 1,77 1,96 I до I ,80

5,1 0,59. 0,54 0,56 0,58 1,81 1,75 1,71 1: ,50

6,4 0,58 0,29 0,33 0,42 1,53 1,01 0,97 0, ,92

7,6 0,44 0,13 0,18 1,23 0,86 0,73

8,9 0,33 0,10 0,15 1,03 0,08 0,70

10,2 0,27 0,05 0,12 0,96 0,78 0,64

конформациошга-чувствителыгых полос поглощения ПВО 850 см-1 и II46 см"1 ( см. табл. 2).

При увеличении: плотности потока энергии .И Jo > 5,1 Вт/см2 при непрерывном и Jo> 3,8 Вт/см2 - импульсных режимах облучения, наблюдаются химические превращения структуры в цепях макромолекул ПВС, которые фиксируются по появлению ПСС и КСС в области (I590-IS00) см-1. В результате химических процессов при непрерывном и игятульсном реглмах облучеш!я формируется одинаковый набор ПСС и КСС. При этом установлено, что интенсивность 7^01^) - колебаний, характеризующих состояние аморфной фазы полплера при импульсном рэ;:кме 2-1 больше, чем при импульсном резгкмэ 2-3 и 2-2, а 1штенсиЕность (СС) - колебаний, характеризующих состояние кристаллической фазы полимора, наоборот, при рэкю/.е облучения 2-3 больше, чем при регжко 2-1.

Из анализа 'Si-спектров образцов ШС следует, что при п?.шуль~ сшх репсах обработки полимера скорость протекания химических реакций в цепях макромолекул ПВС значительно больсэ в сравнении о процесса.-^!, протекающими при непрерывном рогсго облучения, причем импульсный режим 2-1 эффективнее рэккмов 2-2 и 2-3.

Установлено, что в упорядоченных областях полгг.ерз разрывы цепей нэ сопровождаются окислением ( из-за отсутствия кислорода в кристаллитах) - эти процессы происходят интенсивнее при кшуль-сном резкие 2-3.

Тазам образом, в упорядоченных областях полимера поело начальной перестройки структуры последующе конформацио'шно изглэЕв-еия оказываются затруднены; в аморфных областях вся энергия затрачивается на химические реакции, при этом с ростов Jo errj протекают более интенсивно.

Хиятческие процессы (дегидрохлориревзтшэ, окнеленнэ) в ПВХ, в результате которых происходит формирование ПСС и КСС б цопяз макромолекул полкора, анализировались по: поязлякшэ полос поглощения и росту их ннтенсивнсстей в облсстл (IGOO-I8DO ) см"т; • умзяьсенкя иптенсивностея полос поглощения в области . • SS5 см"1 (7Г(СН2)), 1255 см-1 (0(СН)), 1335 см-1 ( 3(СП)), 1435 см-1 ( ö(ClC)) и а области (2800-3000) с:Г1 - ("'(СН)) . it < v(CE, )); и анализу изменения гаггенсивпостой полос поглощения з области (600-7G0) см-1- V(CGI) - кол-зботий, которяо пв.тя:ггся а 1'онформа-

цт10н:т0-ч''~ст'снт'3 лъ!т!° .

Из тгагаза ШС-споктров терглосСргбста-па образцов ПВХ следу-

ет, что существует некоторый температурно-временной интервал (190 °С, I час прогрева ) при котором спектроскопически на фиксируется появление ПСС и КОС, а наблюдается рост интенсивностей полос поглощения, связанных с- валентными г>(СН) - колебаниями метиленовых групп: 2855 см"1 - в аморфной и 2962 см"1 - кристаллической областях полимера. Следовательно, при этом температурно-временном интервале происходят только физические изменения структуры полимера.

При увеличении времени прогрева происходит уменьшение интенсивностей полос поглощения 2855 см"1 и 2962 см-1 , связанных с различными видами колебаний метиленовых. групп (валентных и деформационных) с одновременным ростом интенсивностей полос поглощения ПСС и КСС. ■

Таблица 3

Значения оптических плотностей конформационно-чувствительных полос поглощения образцов ПВХ, подвергнутых облучению С0£- лазера

J 2855 см 1 2962 СМ' -1

Вт/см2 (V(CH)) (V(CH))

режим I 2-2 I 2-2

исходный 0,18 0,18 0,76 0,76

1,0 0,19 0,18 0,74 0,69

2,0 0,23 0,19 0,72 0,58

3,1 0,28 0,23 0,58 0,47

4,1 0,31 0,26 0,41 0,38

На начальных стадиях лазерной обработки при обоих режимах >облучения ( до Jo< 2,0 Вт/см2), происходят только конформациошше изменения структуры полимера ( см. табл. 3). При увеличении плотности потока анергии ЛИ, в спектрах полимера фиксируется появление полос поглощения ПСС и КСС.

Изучение ИК-спектров ПВХ в диапазоне валентных колебаний v(COl), (600-700) см"1,позволяет подучить информацию об изменении как химической, так и конформационной структуры полимера. Сделана попытка проанализировать изменение тактичности образцов ПВХ на различных, стадиях, лазерной и тер;,оческой обработок в сегментах

структуры, незатронутых химическими преобразованиями. ' Это мокно сделать, используя отношение оптических плотностей полос: °б15 /С695 в качествв параметра, оценивающего фор:.£1рование доли синдиотактических (£рагментов структуры в аморфных областях и параметра П535/Вбд5, оценивающего долю таких ко (фрагментов в кристаллических областях полимера. С увеличением зремени термообработки возрастает доля.синдиотактических фрагментов ПВХ. При лазерной обработке, наоборот, наблюдается уменьшение значений этого параметра, причем при га,тульском облучении "степень тактичности" меньше, чем при непрерывном.

Следует отметить, что при термической обработке полимера, ужо с первых часов прогрева, формируется в той или иной степени весь возможный набор ПСС и КСС. При лазерном облучении предпочтительнее идут окислительные процессы, при этом, импульсное лазерное облучение намного эффективнее непрерывного облучетм с точки зрения образования набора ПСС и КСС.

Предложенная интерпретация, которая следует из анализа Ш-спектроскогшческих данных, была подтверждена ■ и при помощи рентгеновского исследования тех же пленочных образцов ПВС.Данные, полученные при исследовании структуры образцов ПВС ■ рентгеновским методом, дают практически те кэ значения плотности потока энергии ЛИ , которые были определены ИК-спектроскопическш исследованием, т.е. именно те значения J , которые необходимо реализовать для проведения того или иного вида изменения структуры полимера.

Как следует из анализа ИК-спектроскопических данных, проблема предотвращения деструкционных процессов в цепи полймера становится актуальной в случае использования мощных потоков энерпш ЛИ, когда резко возрастает вероятность накопления энерпш на связях, что приводит к увеличению вероятности протекания деструкционных процессов ( фрагментация цопей, отщепление боковых групп и т.д. ). Для предотвращения протекания деструкции необходимо создать услоеня для ускорения процессов диссипации энерпш ЛИ. В работе показано, что увеличение скорости диссипации,'за счет внедрения ШС, способствует Ентенсгфасацш! молекулярного движения, а следовательно, '.снижению вероятности- протекания дострукцпонннх процессов.

Для доказательства этого положения в работе проведено исследование прочностных свойств технических шяей лавсана и капрона. Лазерную обработку осуществляли как з сухом таге и в увлзппеннсм

Таблица 4

Параметры лазерного облучения технических нитей на нитепро-тягкном механизме ( ЗаЮ""1 м/с, 1,= 17с; и,= й^Ю"3 м/с а£=1с)

техническая нить ■>1 • Вт/см2 ВТ/С!.Г Вт/сгл2 Вт/см2

капрон лавсан 0.9 1,0 3.4 3.5 2,0 2,7 6,7 9,5

состояниях, которую реализовывали при непрерывном перемещении нити под лучом лазера при различных скоростях протякки нити.

В табл.4 приведены параметры лазерного облучения нитей. Условием при подборе параметров обработки было соблюдение при различных скоростях протяжки соотношения сошП. При выборе значений J руководствовались следующим, что при данном уровне нить визуально не отличается от исходной, не было заметно следов прохождения деструкционных процессов в виде пожелтения.

В табл.5 приведены разрывные характеристики нитей капрона,

Таблица 5

Разрывные характеристики технической нити капрон, облученной С02-лазером

испытание ъ сН/Текс е, 8 се, % ^ЕАЮ"2

. / Дк/кт

исходный 68 4,4 17,4 4,8 11,8

П г», 68 4,5 17,5 4,8 11,9

П и. 63 4,5 17,4 4,9 11,8

0 V,. ^ 67 4,8 18,3 6,9 12,3

0 и,, ¿г 66 5,1 16,6 7,7 12,3

П увл. 65 4,8 19,4 5,1 12,6

П увл. Уг 65 4,7 19,6 5,3 12,7

0 увл. V , 68 5,4 20,2 6,3 13,7

0 увл. Уг, 68 5,8 20,4 8,2 13,8

0 увл. , к 70 6,1 17,7 8,6 12,4

0 увл. и,, 'г* 73 6,3 18,5 8,8 13,5

П - перемотка, 0- - облучение, увл. - увлажнение.

подаоргнутих лазерной обработке, где: р,- относительная разрывная погрузка, з - относительное удлинение , (Т?е) - удельная работа рпзрнса. Показано, что ¡три сблучскки увлажненных литой прл вро-дол'.нпн значениях плотности потока энергии Л1 <1*11 не наблюдается протекания дострукциокнчх процессов, при этом, отмечено некоторое угл.здчс-нке разрывных характеристик для нитой капрона.

Таким сортоом, варианта условия лазерного воздойсткш создают предпосылки для целенаправленного изменения структуры и свойств иодпморных материалов ( волокон и пленок), получения материалов с задзчннм »:с."ллексом физико-кгхашпеских свойств. Это перспективно при разработке ног,1;:'; технологии обработки этих материалов с использованием лаззрнкх ::с«лнккоз.

ЗАЮТЯЕШК. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕХС!.КЦШШ1

Прбчтичлсшя значимость настоящей работа заключается в воз-ухг.остл использования инфракрасного ЛИ для целенаправленного из-г.'зкептя структуры л обзйотв золзкно-( и плонко-) образуема поли-г-.зров, с целью получения материалов с зоданкш когллокссм

сг.сйств.

Установлена тесная взаимосвязь метлу оптически.',тл свойствам по-татаров и интенсивность::) молекулярного дшегашот, которая является оггрэделягдей .длл управления процосссм лазерного нагрова, т.к. позволяет прогнозировать нзмнешта сеолстп волокон и нитей при лазерной обработке.

Проведено исследование кохашгекз лазерного нагрэва при различие способах обработки, при условии равенства сродней плотности потока энергии ЛИ, падан::;ой на полккзрный образец в области ел:?ни;о:з;х и в области хкготоских превращений. Уста-

новлено, что до.;л с-нзргкя поглощаемая образцом, зависит от услоз.з: дозорной обработки. Срашгеккэ непрерывного и пяульспого рз-":з:.оз облучения з области фтзстеекпх мод.фжзциЗ, покаапзгзт, т;о прч героходо о? ;;спрэрзгепого роггка облучения к пшульсному нобяздзэтея угзтезпио поглощения знзргии 32.1. Умзньпопко дгатодь-пости к.иу.асо (умзньясниэ тэжературч полиг.орного образца) ?ак:.:э приводи? к умопзпзп:'.,") поглощения знерпз! ЛИ. .Следовательно, пзме-пнчгз условна л озорней обработка влечет за собей измопепнэ состояния г:о.:з::улзз::о?{ ¡тодзчгзюстн.

"зучонне мзхшзюмз лазерного нагрзвз волокон л ллепск в об-

ласти химических превращений показывает, что при импульсных режимах обработки структурные преобразования в цепях макромолекул полимеров проходят более интенсивно в сравнении с непрерывным режимом обработки. Анализ механизма поглощения энергии ЛМ позволил высказать предположение об увеличении вероятности протекания деструкционных процессов в макроцепях полимера при режимах, обеспечивающих локализацию энергии ЛИ на химических связях в условиях ограниченной молекулярной подвижности.

Показано,что аморфная и кристаллическая области полимера по-разному реагируют на лазерное воздействие. В аморфных областях энергия ЛИ, в значительной степени, затрачивается на химические реакции, в результате которых возникают ПСС и КОС. В кристаллических областях происходят разрывы цепей полимера, окисления не происходит ( из-за отсутствия кислорода в кристаллитах). Для предотвращения протекания деструкции необходимо создать условия ускоренного переноса энергии, т.е. интенсифицировать молекулярное движение. Один из способов, приводящий к увеличению молекулярной подвижности, заключается во внедрении в обрабатываемый полимер -НМС, т.к. эти молекула могут бить посредниками в процессе обмена энергией ЛИ между макромолекулами полимера.

Вахиое значение для обоснованного подбора режимов лазерной обработки играет определение температуры в зона лазерного воздействия. . Показана перспективность использования рентгеновского метода определения этой температуры. Определение температурного рекима в зоне лазерного воздействия дает возможность проведения модификации полимера при размораживании подвикности заданного типа, что еще более увеличивает возможности целевой лазерной обработки.

Полученные в работе закономерности позволяют не только прогнозировать изменение строения и свойств полимерных материалов (волокон, пленок) при лазерной обработке, но и дают вос.\:о:люсть разработать новые катоды контроля структуры и свойств этих материалов с использованием лазерных источников.

Показано, что для исследования температур (температурных областей) релаксационных и фазовых переходов в волокно- (и пленко-) образующих полимерах , эффективным являются, предложенный в диссертационной работо, метод, основанный на изучении поглощения энергии ЛИ этими материалами. При этом, изменение молекулярной поднияности мокет осуществляться как за счет изменения энергии

Таблица 6

Определение параметров лазерной обработки волокон и нитей

лазерного источника, так и за счет энергии постороннего источника. Разработанные методы исследования могут сыть использованы как для определения свойств волокон и пленок, так и для разработки конкретных способов модификации структуры о использованием ЛИ.

Исследование влияния НМС на поглодай» энергии ЛИ позволило разработать новый мзтод оценки количества НМС в волокно- (¿1 плен-ко-) образующих полимерах. Кромо того, это дало возмошость раз-

работать новые способы обработки волокнистых полимерных материалов. При этом удалось не только, в ряде случаев, предотвратить протекание деструкционных процессов при импульсной обработке, но и увеличить эффективность использования энергии ЛИ на проведение преобразований в области физических модификаций. В табл.6 представлены основные этапы разработки лазерной технологш модификации текстшьных волокон и нитей.

Таким образом, в диссертационной работе рассмотрены общие принципы по использованию инфракрасного ЛИ для целенаправленного изменения структуры и свойств полимерных материалов, что имеет важное значение,для прогнозирования изменения структуры и свойств волокно- (и пленко-) образующих полимеров в области физических модификаций и в области химических превращений. Рассмотрены факторы, влияющие на диапазон параметров лазерного воздействия (т;и -длительность импульса , период П, условия обработки), позволяющие обеспечить целевую модификацию волокнистого ( пленочного ) полимерного образца. Разработаны новые методы контроля и изучения структуры этих материалов. Выработаны общие рекомендации по разработке способов лазерной обработки еолокно-(и пленко-) образующих полимеров, которые могут быть использованы в промышленных. технологиях.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны общие рекомендации по использованию ЛИ для целенаправленного изменения строения и свойств химических волокон (пленок), базирующиеся на установленной в диссертации взаимосвязи мекду интенсивностью молекулярной подвижности, оптическими и физико-механическими свойствами волокон и пленок в ИК-диапазоне длин волн. Показано, что рекомендации являются научно-обоснованной базой для прогнозирования изменения строения и свойств волокон (пленок) с использованием ЛИ.

2. Показано, что механические свойства химических - волокон зависят от условий лазерной обработки. Установлено, что при импульсном воздействии на волокна в условиях ограниченной молекулярной подвижности и высоких плотностей внергии ЛИ, их прочностные характеристики ухудшаются, что связано с накоплением энергии ЛИ на химичесган. связях и их разрушением без значительного разогрева образца.

3. Предложен способ предотвращения деструкционных процессов при лазерной модификации волокон в физической области превращений структуры, заключающийся во внедрении ШС (воды) в полимерную матрицу. При этом установлено, что при увеличении концентрации ШС в обрабатываемом образце наблюдается улучшение прочностных характеристик для гидрофильных материалов. При этом, увеличение концентрации ШС не влияет на прочностные характеристики обрабатываемых гидрофобных материалов.

4. Изучено влияние лазерной обработки ( непрерывный, импульсный режимы) на строение волокно (и пленко-) образующих полимеров, волокон и пленок. Установлено, что при условии равенства средней плотности потока энергии ЛИ, падающей на образец, но различных шшовых значений, скорость химических преобразований в цепях макромолекул полимера зависит от длительности импульса. С уменьшением длительности импульса скорость химичесюи преобразований возрастает. Скорость процессов упорядочения, наоборот, уменьшается с уменьшением длительности импульсного воздействия.

5. Установлено, что изменение механических свойств и строения химических волокон (пленок) при лазерной обработке ( непрерывный, импульсный рекимы), тесно связано с оптическими свойствами этих материалов в диапазоне генерации лазерного источника. Так, при условии равенства средней плотности потока энергии ли, падающей на образец, но различных пиковых значений, наблюдается уменьшение поглощеши энерпш ЛИ при переходе от непрерывного реккма обработки к импульсному. При уменьшешш длительности импульса, также, наблюдается уменьшение поглощения энергии ЛИ. Предложена схема диссипации энергии ЛИ, в основе которой лекит учет молекулярной подвижности и ее роли в безызлучательной релаксации энерпш ЛИ.

6. Установлено, что оптические свойства химических волокон и пленок зависят от температура. С уменьшением температуры поглощение энергии ЛИ уменьшается. Наиболее значительное изменение поглощения наблюдается в области релаксационных и фазовых переходов, связанных с размораживанием молекулярной подви.-згости определенного типа.

7. Разработаны новые методики анализа структуры и фнзгасо-мохатпеских свойств полимерных материалов (волокон в том числе):

- методика опрэделзгая релаксационных и фазовых переходов в

волокло-(и пленко-) образующих полимерах, позволяющая прогнозировать изменение физико-моханичоских свойств этих материалов.

- методика определения влагосодер;кания в ПКА-пленках в условиях хранения и эксплуатации.

Предложенные методики применяются в учебных заведениях.

8. Разработанная методика исследования термических свойств волокно- (и пленко-) образующих полимеров внедрена в институте технических сукон (г.Санкт-Петербург).

Автор работы выражает большую благодарность в оказании содействия в выполнении диссертациошюй работы сотрудникам кафедры физики Санкт-Петербургского государственного униБерситвта Технологии и Дизайна докт.техн.н. Тараканову Б.М., доц. Платоновой Н.В., доц. Клименко И.В., и сотрудникам Амурского государственного университета, профессору Виноградову Б.Л., профессору Гаврилен-ко В.Н., доц. Ульяшчевой В.Ф., доц. Согру А.А.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРГАЦИИ

1. Тараканов Б.М., Иванова Е.В. Особенности взаимодействия инфракрасного лазерного излучения с полимерными материалами.-М., 1995.6С.-Деп.В ВИНИТИ 10.II.95. II 3002,В-95.

2. Иванова Е.В., Платонова Н.В., Клименко И.Б., Тараканов Б.М., Вшоградов Б.А. Влияние облучения СО.,-лазера на структуру ГОС.-М.,1995.8с.-Деп. в ВИНИТИ 10.II.95. Н 3003, В-95.

3. Тараканов Б.М., Иванова Е.В. Методика опроделошш температур релаксационных и фазовых переходов в полимерных материалах. -С.-П., 1995. - 6с.

4. Тараканов Б.М., Иванова Е.В. Методика определения влаго-содержания ПКА - пленок в условиях хранения и эксплуатации. -С.-II., 1995. - 8с.

5. Тараканов Б.Ы., Иванова Е.В. Использование излучения С02-лазера для определения температурных переходов в полимерных ма-териалах/Информ. листок. -Благовощонск, 1996. 2с. - ЦНТИ.