автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Волокнистые высокомолекулярные материалы легкой промышленности в процессах обработки потоком плазмы ВЧ-разряда

РГН од

- Я ИЮН 1398 I Га правах рукописи

Абуталипова Людмила Ншсолаенна

Волокнистые высокомолекулярные материалы легкой промышленности п процессах обработки потоком плазмы

ВЧ-разряда

Специальность 05.10.01-Материаловедение (текстильное, кожевенпо-меховое, обувное, швейное)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

И. Ш. Абдуллин Официальные оппоненты:, доктор технических наук, профессор

В. Г. Бочаров;

доктор химических наук,'профессор Л. С. Гальбрайх.

доктор технических наук, профессор В. В. Кудинов;

Ведущее предприятие- Татарское меховое ТПОАО « Мелита»

Защита состоится « »1998 г. в «¿О » час. на заседании диссертационного совета Д 053.32.03 при Московской государственной академии легкой промышленности по адресу: 113806, Москва, ул.Садовническая, 33.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии легкой промышленности. Автореферат разослан

Ло» 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В В. Костылева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современное материаловедение достигл'» больших успехов и создании материалов, используемых для изготовлеим изделий легкой промышленности, с высокими показателями физико-механических, физико-химических свойств. В процессе эксплуатации внешним воздействиям (механическим, физическим, химическим) по;тергаютс;!,р первую очередь, поверхностные слои материалов, и от их прочности, стойкости зляисят добротность, долговечность изделий. Поскольку именно с поверхности начинаете;! механическое разрушение, коррозия, старение, в технологиях переработки материалов применяются различные методы поверхностной модификации. В металлообработке -наклеп, азотирование, цементация, вцюнение, в технологии строительных материалоа - аппретирование серой, смолами, полимерами, в технологии текстильных материалов, кожи и меха - дубление, поверхностное крашение и т.д. Традиционные методы модификации поверхности изделий текстильной, кожевен: ш-меховой промышленности создают ряд проблем, важнейшими из которых являются дефицит сырьевых и энергетических ресурсов, загрязнение атмосферы и промышленных стоков, и не всегда могут удовлетворить всё возрастающие запросы истребителей.

Уменьшить остроту указанных проблем позволяет использование, например, в текстильной промышленности плазмохимпческой технологии, характеризующейся меньшим потреблением химических реагентов и загрязнением окружающей среды. Однако, плазмохимические методы модификации имеют ограниченные области применения за,счет того, что псегдг. связаны с изменением химических свойств материалов. Вместе с тем имеется разновидность плазменной обработки, которая используется для воздействия на металлы и их сплавы, полупроводники, стекла, полимеры, без плазмохимических реакций - это физкчссая модификация в неравновесной низкотемпературной плазме (НТП). Преимущество такого метода заключается в отсутствии химических превращений на обрабатываемой плазмой поверхности и неизменности химического состава полимеров. В связи с этим в настоящее время ведутся исследования по установлению закономерностей изменения эксплуатационных, потребительских и технологических свойств полимерных материалов за счет структурной и физической модификации их поверхности путем плазменного воздействия. Однако, пока в этой области отсутствуют систематические' исследования, которые могли бы дать полное представление-о закономерностях изменения свойств волокнистых полимерных.материалов различной природы (текстиль, кожа, мех) и зависимости от т ехнологически4: параметров плазмы, до сих пор

не разработана физическая модель процесса взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с волокнистыми высокомолекулярным'.! материалами, имеющими капиллярно-пористую структуру.

. Исследование взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с волокнистымп полимерными материалами и создание на их основе технологических процессов плазменной физической модификации позволят управлять свойствами материалов для различных условий эксплуатации и назначения изготовляемых из них изделий, а также позволят интенсифицировать процессы переработки сырья, полуфабрикатов.

Цель и задачи исследования. Целью работы является комплексное улучшение эксплуатационных, потребительских, защитных и технологических свойств материалов, используемых для изготовления изделии легкой промышленности, путем создания и внедрения процессов и специального оборудования'для обработки текстильных, кожевенно-меховых материалов неравновесной низкотемпературной плазмой, обеспечивающих изменение и оптимизацию свойсте» волокнистых капиллярно-пористых тел из органических высокомолекулярных-соединений.

Выбор объе;стоа исследования для реализации поставленной цели исходил из широты их применения в легкой промышленности, в быту, набором ценных гигиенических, эксплуатационных и потребительских свойств и возможностей электрофизической модификации, обусловленных химическим строением и структурно-топологическим типом. Это -материалы из целлюлозы, как представителя жесткоцепных полимеров растительного происхояадепия, из коллагена дермы кожного покрова, как представителя высокомолекулярных соединений животного происхождения, из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полиамида, полиэтилентерефталата, как представителей синтетических полимеров.

В качестве модификатора, исходя из целей работы, использовалась высокочастотная плазма низкого давления. .

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: •

1. Теоретически обосновать возможность модификации высокомолекулярных соединений волокнистой структуры с помощью потока низкотемпературной неравновесной плазмы и экспериментально определить основные факторы, ответственные за изменение свойств различных материалов, используемых в легкой промышленности.

2. Разработать физическую модель процесса модификации волокнистых капиллярно-пористых органических материалов с помощью неравновесной низкотемпературной плзз.«'..\

3. Исследовать влияние неравновесной низкотемпературной плазмы инертных, активных газов и их смесей на свойства волокнистых полимерных матерналоп растительного, животного и химического происхождения.

■!. На ос но г,с результатов теоретического и экспериментального исследований электрофизической модификации волокнистых высокомолекулярных органических полимеров рассмотреть возможность создания технологических процессов, позволяющих получать материалы с заданными технологическими и эксплуатационными показателями.

Решение указанных задач проводилось по следующим направлениям:

- разработка математической модели ВЧ-разрядл, позволяющей определить параметры плазменной обработки;

- определение ф:». юров, влияющих на'изменение свойств материалов на основе анализа теоретически''• расчетов и экспериментальных исследований параметров потока высокочастотной плазмы при взаимодействии с волокнистыми высокомолекулярными соединениями;

- рассмотрение н определение основных физических процессов, влияющих на модификацию материалов;

- разработка качественной физической модели взаимодействия неравновесном низкотемпературной ВЧ-плазмы с волокнистыми канидлярно-порнстыми органическими материалами и проверка ее адекватности;

- исследование влияния неравновесной низкотемпературной плазмы па широкий ассортимент текстильных нитей, тканей, дермы кожного покрова животных н продуктов ее переработки, подвергнутых перед и после плазменной обработки воздействию механических, физических и физико-химических факторов;

- исследование изменения эксплуатационных характеристик изделий из волокнистых полимеров от режимов плазменной обработки, разработка основ рациональной технологии обработки я определение оптимальных областей применения индукционного и емкостного ¡.ЗЧ-разрядон

- разработка статистической модели процесса взаимодействия ВЧ-плазмы низкого давления с высокомолекулярными волокнистыми материалами, которая описывает зависимость физико-механических свойств материалов от основных обобщенных параметров ВЧ-разряда;

- 'определение ■ оптимальных режимов формирования материалов с заданными свойствами;

- исследование особенностей применения на различных стадиях переработки текстильного и кожевенно-мехового сырьа плазменного воздействия для интенсификации технологических процессов с сохранением требований к качеству получаемых полуфабрикатон, материалов и изделий;

- р;; ;р;;бот;;а ноиых технологий подготовительных н отделочных про.«ролотв текстильной и ко^еБснно-мехогюй промышленности с использованием низкотемпературной плазмы ВЧ-разрлда;

- испытание поаь'х технологических и технических решены'!, реашпук>:н>:х сформулированные прптсшяамькме положения в области нселедогашш: и получения модифш^рсесашых .материалов с высокими покчпа!елями прочности, устойчисозги к деформации, к воздействию вкскшсП в технологической среды, предназначенных для изготовления одежды, обуй г и >.:; уг;:х тдеяин легкой i «ромышленности.

- хонсфуктшишм разработка вариантов ВЧ-ялазменных установок для обработки нитей, ткгнеГ! и натурально:! кохсп.

Мкгмдихп иссчсдошпы. В- дг.есертшшоиной работе для решения гкктавл синих задач применен комплекс сущесп.у ощлх современных и создашш.ч иооых методик исследозашш.

Изучение характеристик ыодифац*фэзашшх материалов включает исследования структуры, состава, физико-механических и физико-химических свойств. Для этого применены релтгепоструктурпыП; электроило-микроскопический, сшктрофотометрнческай, ИК-

спектроскопическнй, ЭПР- анализы, метод: гравиметрии, с использованием стандартных методик оценки свойств используемых материалов. Исследовались следующие характеристики: прочность, деформация, жееткоси», истираемость, водопоглощеии» и смачшк емость, капиллярность, усадка, адгезия и стойкость материалов к действию температуры.

Для исследования параметров неравновесной низкотемпературной плазмы применен измерительный комплекс, состоящий из:

- СВЧ-нзмернтсля, позволяющего определять концентрацию электронов; .

- миниатюрных магнитного зонда и пояса Роговею ~о для измерения параметров электромагнитного поля в плазме;

- модернизированной трубки Пито для определения скорости потока неравновесной низкотемпературной плазмы;

. - калориметрической системы дня определения мощности разряда, мощности струн;

- системы измерения электронной температуры и энергии ионов.

Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением

методой математической статистики. Результаты теоретических ¡¡сследоианий получены с использованием метода математического

аоделпромшпг

40".• при пнзл'.'Ч.: давления в дваку««:»!? :л!!зр;лп": .н'пов .н.':

¿Р.-яи- «(еле» ?.:ат:ф-п.-чию счг.чшел а .чнугргмней чнсса.

ка'::1л.|ярно-пор:гс1 !.!:•'. '¡ел волокнистой структуры, позволяющей улра^ляп» '-.геисипем и:, фтнко-мехаинчсскнх л физико-химических здойяя. ОсиошюП вклад л модификацию вио-пгп^н поверхности вносят рекомипн.щн,! конов на пог.ер.чноет:; и передача энергии, приобретенной ими прл ускорении I! слое нро-грппск« ч.даг» заряда, образованном вокруг обрабатьпае.' :ого тел?. ¡Знутретпя поверхность пор и капилляров модифицируется за ечег рекомбинации ионов.

■ Впервые получен;.: следующие результаты.

!. Установлен диапазон изменения основных параметров сгруГшоП ВЧ-плазмешгой обработки при низко:.' даг.лешш: энергии ¡лоно» V/, от 10 до 90 эВ, плотности пенного тока ^ от 0,1 до 3 Ам'*, степени термической иеравновесносш Т/Га от 3 до 90 (где Тс-зпе!-прсшт температура, Та-температура ш<; • ип), яри '.отором происходит эффективная модификация каяиллярно-псрнсилх волокнистыхполимерных матс?г:плой.

2. Построена качественная физнческал модель изменения свойств капиллярно-] юристы л волокнистых высокомолекудяр.' '.их мчтгрн'иия» под воздействием пото:.<.л-. нсрагпосссиоП ннззеотемпературной ВЧ-влазмк.

3. Установлено, что данный вид обработки позволяет получать материалы с качественно новыми свойствами (одновременно повышенной прочностью, пористостью п зодоиогдощелием, бакгерчцилмоогыо, ллгезнопнои прочностью.)

4. Установлено, что наибо.'шшш гффе:ст воздействия достанется с помощью ВЧЕ - разряда при частоте 13,56 МГц. Донный вид разряд:', позволяет упрочнять, снижать деформацию, уменьшать истираемость, повышать жесткость на изгиб, из'лентп, поглощение юкстильнмх ни го", тканей, кожи, нетканых материалов из раеппедьного н синтетического сырья, повышать стойкое гь к действию температуры кожи, изменяч ь свойства плёночных материалов.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия потоков неравновесной низкотемпературной плазмы и волокнистых высокомолекулярных капиллярно-пористых тел, устанавливающие, что основными параметрами процессов модификации, определяющими сяойстаа обрабатываемых материалов являются энергия ионов V/;, ионный тел: на его поверхность и степень термической неравновесности Т«/Т0. Оптимальный диапазон этих параметров для разработанных методов модификации: \Х.',= Н)-9П э)3, ф-0,1-3 Л«\ Т/1>3-'90.

2. Физическая модель процесса модификации капиллярно-пористых волокнистых тел -органической природы потоком неравновесной низкотемпературной плазмы.

3. Результаты исследований процессов взаимодействия потока неравновесной низкотемпературной плазмы с текстильными нитями, тканями, натуральной кожей, синтетическими пленочными материалами. Основы рациональной технологии плазменной модификации сырья, полуфабрикатов и готовой продукции текстильного и кожевенио-мсхового производств.

4. Результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований по созданию образцов ВЧ-плазменных установок, предназначенных для реализации предложенных процессов модификации.

5. Установленную взаимосвязь между химической природой г.олокнообразующего полимера, природой его происхождения, структурой материалов (нить, ткань и 'нетканый материал, кожа, пленка) и эффективностью плазменной обработки.

6. Выявленные особенности влияния плазменной обработки на протекание процессов выделки кожи, подготовки и отделки текстильных нитей и тканей.

7. Выявленный эффект интенсификации отдельных стадий технологических процессов переработки текстильного и кожевенно-мехового сырья и полуфабрикатов.

8. Разработанные способы огнезащитной отделки льняных тканей, производства бактерицидных медицинских шовных нитей, повышения адгезионной прочности лицевого слоя -натуральной коки, клеевого крепления верха обуви и подошвы, клеевых прокладочных материалов с основными деталями одежды.

Практическая значимость работы:

- разработан принципиально новый метод модификации волокнистых полимеров в изделиях лёгкой промышленности, позволяющий решить задачу придания им определенных заданных, свойств, регулировать эти свойства в широких пределах, в частности прочность, деформируемость, износостойкость, гндрофилыюсть, поглощение теплостойкость, адгезию, бактернцидность, пористость, он намного эффективнее и экономичнее чисто химической, термической, механической модификации (уменьшается расход реагентов, уменьшается количество экологически вредных компонентов в процессах переработки сырья, полуфабрикатов и отделки готовых изделии, происходит интенсификация технологических процессов с участием мо'шф'.-цпрпиашшх идге?чгл«е г, -4-5 [-гз). На-, бзг* впазб.гл»вых

экспериментальных исследований взаимодействия оназед с капиллярно-пористыми волокнистыми . материалами разработаны процессы модификации, позволяющие в одном технологическом цикле производить упрочнение материалов без нагрева с одновременным увеличением смачиваемости поверхности, ускорением процессов диффузии химических реагентов вглубь волокнистого материала.

- даны практические рекомендации "по оптимальным режимам модификации и принципиальные технологические схемы осуществления процесса электрофизической модификации полимерных волокнистых материалов различного назначения;

- показана возможность увеличения механической прочности и повышения фши-ко-химическоа активности поверхности, что приводит к интенсификации процессов переработки волокнистых материалов в готовые изделия и повышению долговечности последних в условиях эксплуатации;

- на основе синтетических полимеров внедрен новый материал (бактерицидные шовные нити);

- разработай метод плазменного упрочнения растительных полимеров;

- разработан процесс огнестойкой отделки ткани га льняной пряжи;

- создан процесс плазменной активации при изготовлении кожи, позволяющий интенсифицировать процесс выделки и улучшать еб эксплуатационные характеристики;

- промышленные испытания прошла технологические процессы сборки обуви клеевым методом крепления и дублирования деталей швейных изделий с использованием низкотемпературной плазмы ВЧ- разряда;

- выявленные закономерности электрофизической модификации прнложимы не только к целлюлозе и коллагену, но п более широкому кругу полимеров и материалов на их основе как эффективный метод придания заданных механических и физических свойств.

Результаты диссертационной работы использованы на Казанском ТПОО «Спартак», АО «Сафьян», ОАО« Казанский льнокомбинат», ГНПГТ «Мединструмент», АО «Адонис».

Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованные технологические, разработки, обеспечивающие решение'ряда важных прикладных задач легкой промышленности, имеющих: большое народно-хозяйственное и социальное значение и заключающихся в создании комплекса новых процессов модификации капиллярно-пористых волокнистых материалов и изделий из них, которые в сочетании с разработанным оборудованием позволяют управлять технологическими, эксплуатационными, потребительскими и защитными свойствами изДелий с помощью обработки струйным ВЧ-разрядом низкого давления.

Апробация работы и публикации. Основный результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Казанского государственного технологического университета, на Международной конференции "Прогресс-95" (г. Иваново, 1995г), Международном конгрессе текстильной и легкой промышленности "Прогресс-96" (г. Иваново, 1996г), Международной научно-технической конференции "Экономические проблемы хранения.к использования вторичного сырья" (г. Римкнп, Италия, 1996г), Международном симпозиуме "Экология и безопасность жизнедеятельности, научно-прикладные аспекты, инженерные решения" (г. Волгоград, 1996г), Международной научно-технической конференции "Вакуум-96" (г. Казань, 1996г), Всероссийском симпозиуме "Структура и свойства материалов" (г. Москва, 199бг), 8-ой Международной конференции молодых ученых "Синтез, исследования свойств, модификация я переработка высокомолекулярных соединений" (г. Казань,1996;-), Международной конференции "Лен-96" (г. Кострома 1996г), Международном семинаре "Новые тсхнолопш-96" (г. Казань,1996г), 8-ой конференции по физике газового разряда (г. РлзаньД99бг), 6-ой Всероссийской научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (г. Екатеринбург,199Сг), Международной конференции по микроскопии твердого тела(г. Казань, 1996 г), Международной научно-технической конференции "Молодая наука - новому тысячелетию" (г. Наб. Челны, 1996г), 1-ой региональной межвузовской конференции (г. Иваново, 1996 г), 2-ой республиканской научной конференции молодых учёных и специалистов (г. Казань, 1996 г), 'Региональной научно-технической конференции (г.Вологда, 1996 г)," Международной научной конференции (г. Иваново, 1997 г), Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии текстильной промышленности» (Текстиль-97 г. Москва, 1997 г), па научной сессии КГТУ (г. Казань, 1997 г).

Основные результаты исследования изложены в 16 публикациях, указанных в конце автореферата и трбх патентах на изобретения.

Личный ек.ь;д автора в опубликованных в соавторстве работах, состоит е постановке цели и задач исследований, выборе методики эксперимента, непосредственном, участии и проведении экспериментов, анализе и обобщении экспериментальных результатов, в разработке математической модели процесса физической модификации, формулировке научных вьшодов. Вклад автора является решающим во всех разделах работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, библиографии из 329 наименования и

.: ^¡¡ложенвя. Она ¡пложип па 320 страницах шишюписнсго текста, содержит 295 рисунков и 65 таблиц.

Во_»велении обоснована актуальность темы диссертационного

исследования, изложена основная цель, поставлены задачи исследования, дана структура диссертации, показаны научная новизна, практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В нерпой главе рассмотрены основные показатели, характеризующие свойства волокнистых высокомолекулярных материалов, используемых для изготовления одежды, обуви и других изделий народного потребления. Рассматриваются наиболее распространенные .методы модификации, позволяющие получать материалы с офедслениыми заданными свойствами. Дан краткий обзор использования электрофизических методов для изменения свойств обрабатываемых материалов. Обоснована эффективность применения низкотемпературной высокочастотной плазмы для модификации текстильных, кожевенно-меховых материалов.

На основе обобщения информации по вопросам модификации материалов легкой промышленности с целью придания им определенных технологических, эксплуатационных, п потребительских свойств проведен анализ результатов исследовании б этой области науки и техники, что позволило сформулировать цель и основные задачи работы.

Во второй глапе дается теоретическое обоснование возможности модификации материалов легкой промышленности неравновесной ВЧ-плазмой. Разработана математическая модель квазпиеЛтралшой плазмы ВЧ-рззряда низкого давленая, которая описывает, технологические характеристики; пространственные распределения концентраций заряженных частиц, электронной и газовой температур, напряженности электрического ноля.

Согласно современным представлениям об элементарных процессах, протекающих в плазме, принятым допущениям и процессом, протекающим при обработке тел, свойства плазмы рассмотрены на примере ВЧЕ-разряда низкого давления. Система уравнений, описывающая данный разряд представлена в виде:

СОДЕРЖАНИИ РАБОТЫ

0)

МиЛ(Г,-Г>ве'-й;у1; (3)

-l^)-^-»«)^. (5)

которые выполняются . при 0<x<d3, где ^-расстояние между электродами, 8~-2nie/nv Высокочастотная проводимость а и относительная диэлектрическая проницаемость с вычисляются по формула,м:

О---;£.• = ]---- . (б)

Ve -скорость электронов, Ul -потенциал ионизации, а остальные обозначения общеприняты.

В качестве граничных условий для уравнений (1)-(5) принято:

dxdx (8)

V 2 (9)

где С|, Сг - эмпирические константы

Для решения нелинейной системы дифференциальных уравнений (1) -(5) с граничными условиями. (7) - (9) разработан алгоритм и программа расчета с использованием численного метода конечных разностей.

Входные параметры математической модели изменялись б следующих диапазонах: 1,33s2бОЯо; 5üd3 £25.ш/; 10й s/sio'Гц. При этом величина поглощаемой в разряде мощности. Рр находилась в пределах от 0,2 кВт до 3 кВт, концентрация электронов в плазменном сгустке пы = ю'5 + ю"лг5, электронная температура 7"„ = (1 + 2.5)-104К, температура газа Тм =3+5-10'/Г, проводимость плазмы а, 15.5 + гб.бОлГ'лГ1. -

В результате расчетов получены пространственные распределения напряженности электрического подл, концентрации электронов, электронной и газовой температур в положительном столбе.

Разработанный численный алгоритм и программа расчета основных технологических характеристик плазмы ВЧ-разрядов низкого давления путем решения нелинейной краевой задачи для системы дифференциальных уравнений позволили пронести численный эксперимент, в речультаю ичто; '.'■■<> были установлены теоретические тлеиеимости основных кч-полошческих характеристик ВЧ-разряда низкого давления от лишения гача, межэлсктродного расстояния, приложенного ВЧ-нанряжспия, частоты ноля. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с данными экспериментальных исследований, изложенными в главе 3 и существующими представлениями об элементарных процессах, протекающих и ВЧ-рацтда.ч.

Па основе численных оценок: обобщенных 'параметров илачмы -энергии ионов и плотности ионного тока, поступающих на поверхность тела, разметенного в плазме, установлен диапазон изменения величин указанных параметров плазмы. Величина шерпш нона оцениваете:! и Ю-ООэВ, плотность ионного тока 0,1-ЗА/м", степень термической перашшпеспостп плазмы равна 3-90. Теоретически доказано, что наиболее вероятными процессами, ответственными за модификацию капиллярно-порист ттх тел являются рекомбинация ионов на поверхности и ее бомбардировка номами.

Прове денная оценка длины свободного пробега частиц плазмообразующего газа и их дебаегзского радиуса 'экранирования в'ВЧП-разряде показала, что в порах и капиллярах модификация происходит, в основном, за счет рекомбинации ионов, а обработка внешней поверхности материала идет за счет как рекомбинации, так и за счет бомбардировки. .

Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований ВЧ-нлазмы низкого давления, описание аппаратуры и методики для измерения концентрации электронов, плотности тока, "Напряжен ностп магнитного поля, теплового потока, скорости потока, мощности разряда и светового излучения, частоты столкновений, температуры лектронов, энергии ионов и плотности ионного тока в ВЧ-илазме к приеугеннш волокнистых полимерных материатоп. .

Описана созданная ВЧ-плаз.меиная установка для получении как индукционного (ВЧП), так и емкостного (ВЧЕ) разрядов.

Получены пространственные распределения параметров ВЧ-разрядов, зависимости технологических параметров разряда от входных характеристик ВЧ-устаиовок.

При исследовании характеристик плазменной струи входные параметры плазменных установок изменялись в следующих диапазонах: расход нлазмообразуюшею газа О ™ 0 - 0,3 г/с, мощность и разряде !'г 0,1 -4 кВг, давление Р 25-16? Па, частота генератора Г » 1.76 - 1К МГц качлчве плалюо^шукнист кпа в основных экспериментах использован

]

аргон uuciuero copra. Кроме того, исследовалось слияние состава плазмообразуюшего газа па параметры струи 134- плазмы. Для этого в качестве ллазмообразуюшсго газа попользовались азот, кислород, смесь аргона с азотом (до 30%), кислородом (до 20%).

Показано, что при введении образца в плазму происходит изменение напряженности магнитного поля у поверхности обраша, характер распределения магнитного поля между электродами зависит от вида разряда. Экспериментально определено распределение ионов по энергиям как в индукционном, так и емкостном разрядах и энергетическое распределение ионного тока. Показано, что величина энергии попов в емкостной форме разряда при 0,5 < Рр < 1,0 кВт и 0,02 < G < 1,2 г/с в три-четыре раза выше, чем в индукционной.

Установлено, что к основным технологическим параметрам, ошечающим за модификацию свойств волокнистых полимерных тел следует отнести величину ионного тока на поверхность,(¡,) энергию hoiiob(wi) и степень термической неравновесное™ (Тс/Та). Выбор этих параметров показывает, что наряпу с обыкновенным термическим воздействием (влияние теплового потока) в плазме ВЧ- разрядов происходит специфическое воздействие за сче г ионов плазмообразуюшего газа.

Установлено, что в . капиллярах п порах волокнистых высокомолекулярных материалов. горит разряд, позволяющий модифицировать материал но всему объему.

Иа основе экспериментальных зависимостей обобщенных параметров (Wi, JO, ответственных за обработку материалов от входных параметров плазмотрона (Рр, G, Р), построена статистическая модель в виде-полинома второго порядка. Обработку экспериментальных данных проводили с помощью статистического пакета «Statgrapliics 2.1 for Winc!o\vs-95».

Это позволило определить базовые режимы обработки высокомолекулярных материалов и построить физическую модель их модификации с помощью ВЧ-разряда низкого давления.

В четвертой главе содержится описание результатов экспериментального исследования физико-механических и физико-химических свойств материалов легкой промышленности, обработанных неравновесной низкотемпературной плазмой.

Дано описание базовых объектов исследования, методов и средств исследования свойств материалов, проведения экспериментальных исследований и используемой аппаратуры.

В "качестве базовых взяты материалы из целлюлозы: нити и ткани из льна, хлопка, джута и кенафа и их смесей; m коллагена кожного покрова животных: шкура КРС, свиией. кожевни ткань, in полиамида ниш и»

капрона; in полипропилена: ни гн, Гтенки; из полтфира; 11:1111 113 л:н:е.па; ¡и ;10:н1 .1 м:\ ¡M. шкшшши.тхлорнда: пленки. 1 !сткаиые капиллярпо-порпсшс тела npcAcraiCiCHu вагой нч растительных волокон, синтепоном in синтетических волокон лавсана, поролоном из пенополиуретана.

Использованы методы НГ<-снектроскопнн,. ЭПР, электронной н оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Проведены исследования механических, (физических и физико-химических свойств.

Приводятся результаты взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с волокнистыми материалами как- в процессе их переработки, так и в готовом пиле (суровые, крашенные, пропитанные сиенсоставом ткани, кожевенное сырье, голье, полуфабрикаты, готовая натуральная кожа).

Найден диапазон изменения основных технологических параметров плазмы, в котором можно добиться повышения прочности на разрыв, уменьшения относительного удлинения при разрыве, повышения начального модуля жесткости Iii текстильных нитей. После НТП-обработкн текстильные нити в присутствии поды в меньшей степени теряют прочности и меньше деформируются. Разрывная нагрузка нитей из растительных волокон увеличивается на 20-70 %, из синтетических - из 5-12 %. Относительное разрывное удлинение уменьшается на 8-29 % в зависимости от природы волокон. Разрывная нагрузка текстильных Тканей увеличивается на 3-S % по основе и утку, а относительное удлинение уменьшается по основе па 4-6 %, по утку - па 20-25 %.

Эффект воздействия НТП на разрывную нагрузку тканей с 3-4 раза меньше, чем для нитей. Результаты испытания на разрыв тканей, изготовленных из нитей, прошедших плазменную обработку, показали, что прочность таких тканей па 30% выше прочности тканей, изготовленных из не модифицированных нитей и не прошедших обработку в плазме, и на 2.0% больше тканей, модифицированных НТП.

Показано, что способность суровых тканей сопротивляться изменению формы при действии внешней тгибпюшей силы изменяется после воздействия на них НТП и эффект воздействия зависит гак от параметров плазменного воздействия, так п от сяоистп ткани (ззлокннстсго состава, структуры и свойств волокон, нитей, струкгури ткани, видов отделки).

Коэффициент жесткости ткани при изгибе после воздействия уменьшается па 5 - б % в сравнении с необработанным образцом, а жесткость ткани но утку и основе увеличивается на I ) -! 9 % и 7-5 %, соответственно.

Показано, '¡то НТП- обработки увеличивает стойкость тканей к истиранию на 30-80 %. Эффект воздействия Н'1 П заиисг.т от волокнистого

состава, структуры волокон, нитей, ткани, видов ее отделки и параметров илазмообряооткн.

Относительный коэффициент . износостойкое!«! ткаш1 > ьслпчивастся после се обработки в потоке ВЧ- плазмы в среднем в полтора раза.

При параметрах плазмы, обеспечивающих упрочнение текстильных материалов наблюдается и максимальное поглощение воды и водных растворов. Например, водопоглощенис . суровых тканей из растительных волокон возрастает в 5 - 8 раз.

"Водопоглощснне гидрофобных, материалов уменьшается после воздействия НТП, например, для нетканых материалов из лавсана или полиуретана водопоглощснне уменьшается на «34 % в сравнении с необработанным образном.

'Показано, что после воздействия 11Т'П улучшается способность текстильных тканей к поглощению влаги продольными порами. Например, капиллярность целлюлозосодержащих тканей увеличивается в 4 раза в ВЧЕ-разр.чде и в 2,6 раза в индукционном разряде. Зависимость капиллярности от параметров ЛТП-обработка носит экстремальный характер. Максимальное увеличение капиллярности наблюдается в диапазоне изменения Рр, в, Р, обеспечивающих максимальное упрочнение нитей и тканей.

Согласно . полученным данным, капиллярность- тканей после плазменной обработки п оптимальных услоияях возрастает на 250-500% в зависимости от волокнистого состава и структуры. Промывка'тканей в горячей воде при Т=20"С дает увеличение лишь'на 40%-90%, что в 4-6-раз меньше эффекта НТП. Воздействие ПТП на промытые ткани также приводит к увеличению капиллярности. Однако, суммарный эффект промывки и воздействия НТП ниже, чем эффект воздействия плазмы без промывки.

Независимо от начальной смачиваемости поверхности ткани этот показатель резко возрастает г.ослс обработки материала ВЧ-илазмой.. Так абсолютное время растекания капли волы или раствора красителя уменьшается на обработанной поверхности до 1-3 с, и это время мало зависит от волокнистого состава и структуры ткани, видов ей отделки и влажности, а также от состава смачивающего раствора. Показано, что.на поверхности материала, обработанного ВЧ-илазмой, увеличивается диаметр растекания капли водного раствора в 3 -.4,5 раза.

Исследование влияния плазменной обработки на взаимодействие текстильных тканей с органическими растворителями показало, что после ПТП обработки увеличивается поглощение четыреххлорисгого углерода, тканями из растительных волокон, диаметр растекания капли С С1ц увеличивается в 2,5-3,5 раза, а время растекания капли уменьшается до 1-2с.

1С,

Низкотемпературная плазма уменьшает усадку шпей из растительных волок; и уменьшает линейны' ii размер синтетических нитей. •

При воздействии плазмы ишь сокращает' свои размеры, характер зависимости усадки от времени воздействия носит предельный характер. После замачивания образна, обработанного НТП,' происходит дальнейшее сокращение его размеров. В результате набухания 'нитей увеличивается их обт.ем, 'по ;.:елляет процесс усадки. При дальнейшем высушивании нитей при '¡'=22 С размеры образце» не меняются.

Процесс усадки протекпет как па 'зтапе воздействия 11ТП, так и на эгаие увлажнения. Па этапе воздействия НТП усадка составляет 50 - 55 % от обшей усадки. Аналогичные зависимости изменения усадки наблюдаются для тканей. С увеличением температур).! воды 'усадка, увеличивается, однако НТП способствует ее уменьшению, с ростом температуры воды эффект НТП увеличивается. Поело НТП-ооработкн уменьшается усадка ткани на 8-61% по основе и на 7,5-50% по утку, величина изменения усадки зависит как от свойств и структуры волокон ни гей и ткани, так и характеристик плазменного воздействия. Максимальное изменение усадки наблюдается при параметрах плазмотрона, обеспечивающих максимальную прочность, водопоглощенне.

Изменение механических свойств кожевенных материалов после НТП-ооработкн оценивали по величине предела прочности при растяжении (<т;,), прочности лицевого слоя (ол), относительного удлинения (с,,), условного модуля упругости кожи (Пр), жесткости (ДД устойчивости нокрыт.ч в многократному изгибу (Р„а). Найдено, что в диапазоне изменения параметров плазменного воздействия Р-50-70Па, G:r-0-0,0! г/с, Рр-0,75-1,12 кВт, 5=13,76 МГц' можно максимально изменить механические свойства кожевенных материалов, например, увеличить стр па 20%,'ст., - на 22%, Р,:г -па 30%, sp - на 6%, уменьшит!, условный модуль упругости на 5,8%.

Пока sano, что НТП-ооработка увеличивает намокаел.оегь (Нг) 'кожи при Рр<1,5 кВт, G~0,04 r/'c, •l>--53lía. Г--36Э с: Максимальное значение памокасмости наблюдается п ПЧ!>ра<ряде в атмосфере аргоча, например, для голья она равна 120 %. В ВЧП-разряде в атмосфере азота намокаемоеть уменьшается и становится меньше, чем для образна >кобраСоф«юга НТП

НТП изменяет смачиваемость поверхности колеи. Время растекания капли воды на поверхности кожевенного материала может уменьшиться в 101000 раз.

Наибольшая смачиваемость наблюдается при Ы ?,76 МГц, Рр-!,*)-],5 кВт, т=300т-540с, Р--53 Па, G =-0,0 3 г/с и сре,,е аргона. Охчп-делена глубина ироникпов.сг я смачивающей жидкости (!>), она зависит от структур!.; поверхности. Эит величина на гладкий лицевой поверх'\>'.т,< г-жи д.н> перч:.

обуви после обработки плазмой1 увеличивается с 0 до 200 мкм. Ь для более шероховатой поверхности, например, кожи для подкладки обуви уменьшается в 1,5-2 раза, при этом увеличивается диаметр растекания капли раствора в 2-3,5 раза.

После НТП-обработки температура сваривания сырья, голья ;; полуфабриката кожи увеличивается на 30° С, 32° С, 10° С, соответственно. Найдено, что НТП-обработка дубленого кожевенного полуфабриката приводит к увеличению общего объема нор (V,.) в образце в среднем на 29%, кроме того происходит изменение размеров пор и соотношения их объемов и общем объеме нор. После НТП-обработки (1=1,76 МГц, Рр=1,0 кВт, 0=0,12 г/с, Р-=53 Па, т=300 с) появляются поры размером до 0,01 мкм (28,4%), увеличивается количество пор размером от 0,01 до 1,0 мкм (с 35,5% до 50%), уменьшается количество пор размером от 1,0 до 1000 мкм (с 64,5% до 21,6%).

Адгезионная прочность исследуемых материалов возрастает в 1,5-6 раз. Изменяя режимы плазменной обработки можно управлять прочностью адгезионных соединений.

С течение:.! времени эффект плазменного воздействия на параметры свойств материалов уменьшается. Так, например, прочность нитей и тканей уменьшается на 30-40% через 70 суток, через 30 суток устойчивость тканей к истирающей нагрузке падает на 5-30%, от максимально достигнутой в процессе НТП-обработки. Капиллярность тканей уменьшается и через 45-60 суток достигает предельного значения, величина которого в 1,5-2 раза выше, чем у образца, не подвергнутого воздействию НТП.

Менее устойчив эффект воздействия НТП на дерму и продукты ее переработки. Раетворопоглощенне голья начинает уменьшаться через сутки после воздействия НТП, а через 8-10 дней водопошощение восстанавливается до уровня необработанного образца. Дубленый полуфабрикат кожи сохраняет эффект воздействия пла мы до 9-10 дней. Улучшенная адгезионная способность голья сохраняется 1-2 дня, дубленого некрашеного полуфабриката 6-7 дней, а крашеного - 10-11 дней.

Показано, что эффект воздействия Н ГП на прочность, истираемость, капиллярность, деформацию, адгезионную прочность устойчив к влажно-тепловым воздействиям.

Исследование физико-химических изменений полимеров в процессе плазменной обработки показало, что Н'ГП не оказывает теплового воздействия.

Результаты проведенных гравиметрических исследований показали, что при НТП-обработке не происходит потерн массы образна за счег распыления или химического травления волокнооСразующего полимера.

Анализ данных ИК-спектров позволяет заключить, что ! 1ТП-поздеПствне не приводит к деструкции или окислению ПЭ и ПВХ, достаточной для ухудшения физико-механических свойств материалов. Некоторое уширение полос ИК-поглощення свидетельствует об усилении межмолскулирного и внутримолекулярного взаимодействия макромолекул п "аморфных" областях полимера. Аналогичные результаты получены при изучении ПК-снектрои дермы кожного покрова в виде голья и дубленого полуфабриката из кожи КРС.

Изучение структурных изменений полимеров под воздействием ПТП методом решгеноструктурпого анализа показало, что НТП не изменяет структуру высокомолекулярных соединении растительного, животного или синтетического происхождения. Анализ дифракционных картин исследуемых образцов позволяет заключить, что каждый образец состоит из аморфной и кристаллической компонент и после плазменного воздействия аморфная составляющая становится более упорядоченной.

Согласно полученным ЭПР-спектрам полиэтилена, полигншнлхдорида, целлюлозы, коллагена воздействие ВЧ-плазмы низкого давления в выбранном диапазоне ее параметров не приводит к образованию углеводородных радикалов.

Оценка изменений микрорельефа поверхности, проведенная методом электронной микроскопии, показала, что признаки травления поверхности отсутствуют, наблюдается изменение поперечных размеров волокон и микрорельефа поверхности, которые зависят от химического строения полимера, природы волокон, физической структуры материала (ткань, кожа).

Монолитные волокна из синтетических полимеров (лавсан, капрон) увеличиваются в поперечном размере, волокна хлопка увеличиваются в поперечном размере и расщепляются вдоль осп волокна, а льна расщепляются в виде коротких широких трешин, неравномерно распределенных но периметру волокна,образующим и сетку с разными углами наклона к оси волокна. Поперечное сечение льняного волокна увеличивается незначительно

Под воздействием НТП происходит изменение микроструктуры кожи: волокнистая структура дермы разделяется, что делает кожу более мягкой и тягучей. Уменьшение компактности сплетения приводит к уменьшению плотности, увеличению пористости, повышает предел прочности при растяжении и влагоемкость. Меняется извитость пучков волокон. Кожа становится более устойчивой к изгибу, более упруга. Изменяется полнота пучков волокон. При увеличении н 850 раз в обработанном слое видно расположение утолщенных пучков волокон; постепенно переходящие в зону пучков, не подпер! шихся мла шейной обработке

D процессе 'плазменного воздействия происходят морфологические изменения поверхности исследуемых образцом. В результате плазменной обработки в. слабых режимах (мощность. разряда 0,5-0,7 кВт, время экспозиции • плазмы 2-5 минут) наблюдается разбухание и разрыхление поверхности..'Средний .диаметр полостей уменьшается до .110-150 мкм, глубина, практически, не изменяется, структура.' поверхности полости также разрыхляется, как и поверхность образца.

При увеличении мощности разряда (0,7-0,9 кВт) поверхность остается рыхлой, но становится более однородной, диаметр волосяных полостей несколько увеличивается (150-250 мкм), а глубина уменьшается до I50-25C мкм. При 'дальнейшем увеличении мощности разряда (1,0-1,5 кВт) и длительности плазменного воздействия (600с) микроструктура поверхности становится морфологически более - однородной, гладкой. В тоже время изменяется морфологический характер полостей: происходит увеличение и.\ среднего размера до 200-300 мкм и уменьшение их глубины до ¡00-150 мкм Структура их поверхности сильно отличается от контрольного образна ош более гладкая и складчатая.

При исследовании оптических свойств полимеров выявлено, что 11 СП-обработка монолитных материалов из синтетических полимеров не изменяет их спектральную характеристику.

Уменьшение коэффициента пропускания света полимерными пленкам! после воздействия плазмы связано, вероятно, с уплотнением поверхностны.-, слоев полимера или с увеличением толщины пленки, вызванным усадочпьи эффектом плазмы.

Кроме того возможно изменение упорядоченности макромолекул i Поверхностных слоях пленки, о чем свидетельствует ИК- спектры i днфрактограммы, полученные методом ренттеноструктурного анализа.

После воздействия плазмы относительный коэффициент отраженно« света от поверхности суровой ткани и кожевенных полуфабрикате! увеличивается, изменяются их спектральные характеристики.

В большей степени Н'ГП изменяет отражательную способности поверхности кожевенных материалов; что связано с больше! неоднородностью структуры поверхности натуральной кожи. По; воздействием плазмы поверхность .кожи хотя и становится рыхлой, не делается более однородной по структуре, т.к. уменьшается как глубина так » диаметр пор открытых па поверхность, Практическое отсутствие ичменеиш оптических характеристик огиезащитых тканей при ПТП-обработке связан« со свойствами полиэтиленовой пленки, образуемой на поверхности ткани i процессе ее огнезащитной отделки: Полиэтиленовая эмульсия, содержании

окисленный полиэтиленовый воск, входит в состав огнестойкой пропитки и обеспечивает тканям прочность окраски.

Экспериментально установлено, что изменение физико-механических свойств материалов легкой промышленности после воздействия ЛТП троисходпт без нарушения химического состава к микроструктуры толнмера.

В пятой главе представлена физическая модель процесса модификации юлокннстых полимерных материалов с помощью неравновесной -шзкотемпературпои плазмы. Построены зависимости изменения фнзнко-леханических свойств волокнистых высокомолекулярных материалов ос. 1Л0ТН0СТИ ионного тока на поверхность я "энергии ионов шазмообразующего газа.

Рассмотрены закономерности изменения фнзшсо-мехлническях свойств , юлокнистых материалов легкой промышленности от трех основных-гроцессов, влияющих на их модификацию: • рекомбинации - ионов- на", юверхности, бомбардировки поверхности нонами и теплового воздействия ютока плазмы.

Экстремальный характер изменения разрывной нагрузки, разрывного длннения текстильных нитей и кожи, прочности ллцезого слоя, условного"' юдуля упругости, устойчивости лицевого слоя кожи к многократному згнбу от мощности разряда, расхода плазмсобразугащсго газа, давления в азрядной камере, обусловлен изменением распределения доли мощности, кладываемон в разряд: на увеличение эиерпш иоиол, плотности ионного ока или теплосодержание плазмы.

При фиксированных значениях давления и расхода гада с увеличением ощносгн ВЧЕ-разряда от 0 до 1,0 кВт увеличивается энершя ионов и ' лотность ионного тока на поверхность, что. и обуславливает эффект • эздействия плазмы на харзктерпегакп своЯстз материале»: увеличение' азрывной нагрузки, капиллярности, емачивгемсспт гекстяльпш. атериалов, разрывной нагрузки, прочность- лпкёвего слоя, смачиваемое,л-!', «еиь'шешгс относительного удлинения и усжшюго модуля ; упругости. хкевеиных материалов. При дальнейшем увеличении 'мощности разряда до ' 5 кВт, несмотря на рост энергии иолов :: псстояастйо лл-опил-тн ионного жа, плазменный зффе;ст уменьшаете:;, что связан;» с увеличением доли, отцности, вкладываемой в разряд, идущей на увеличение- теплового потока, рп Рр больше 1,5 кВт энергия ионов и йпогяоеть ионного, 'тога не ¡меняются и вся вкладываемая в разряд мощности расходуется на •.сличение теплового потока на поверхность гордого расположенного плазме.

При фиксированных значениях мощности разряда к дав■,'•.■.-, и разрядной камере (Р?=1,0 кВт, Р= 53,2 Па) о увеличением ржхода •'. ллазмообразующего • газа до 0,04 г/с возрастают энергия ионов, плотность ионного тока, что приводит к изменению параметров физико-механических свойств волокнистых материалов. Например, ¡с увеличению разрывной нагрузки текстильных нитей, водопоглощению кожи.

Дальнейшее увеличение расхода газа, например, в ВЧЕ -разряде приводит к уменьшению эффекта воздействия плазмы, т.к. при этом, несмотря на увеличение энергии ионов, происходит значительное уменьшение'плотности ионного тока. При в больше 0,06 г/с уменьшается как энергия ионов, так и плотность ионного тока, а тепловой поток возрастает, что приводит к еще большему уменьшению плазменного эффекта.

При постоянных значениях мощности разряда, расхода плазмообразующего газа изменение давления с разрядной камере приводит к изменению энергии ионов И' плотности ионного тока и, как следствие, к изменению эффекта воздействия НТП на параметры характеристик свойств (разрывная нагрузка, разрывное удлинение, водопоглощение текстильной ткани и натуральной кожи): с увеличением давления в разрядной камере от 0 до 53,2 Па эффект НТП-обработки растет, поскольку растет энергия ионов и плотность ионного тока. При давлении больше 53,2 Па эффект НТП уменьшается, т.к. уменьшается плотность ионного тока. Уменьшение энергии ионов,-начинающееся при Р ¿.79,8 Па, плотности ионного тока и увеличение теплового потока на обрабатываемый образец (текстильный или 4 кожевенный материалы) приводит к уменьшению прочности, капиллярности, водопоглощения, увеличению деформации.

В ВЧИ -разряде доля тепловой энергии значительно выше, чем в ВЧЕ-разряде, что препятствует улучшению, например, прочностных . характеристик. В ВЧИ -разряде максимальное увеличение разрывного . напряжения ар= 4,2 % достигается при Рр=1,0 кВт, С=0,068 г/с, Р=53,2 Па (\Уг=18 эВ, ф =1,45 А/м2), а в ВЧЕ -разряде при тех же входных параметрах плазмотрона прочность увеличивается на 21%, при этом \У,=69эВ, ^ =0,78 А/м*. . .

Тепловое воздействие ВЧИ -разряда приводит к увеличению относительного удлинения кожи до 17%, в ВЧЕ -разряде удлинение увеличивается только до 6 %, меньше и сравнении с ВЧИ -разрядом и условный модуль упругости кожи.

Плазменная обработка позволяет достичь максимальных изменений нескольких параметров свойств материалов варьированием входных характеристик плазмотрона. Так при достижения максимальной прочности текстильных материалов из целлюлозосолержашич волокон одновременно

можно достичь максимальных значений водопоглошения, капиллярности, ' смачиваемости, теплостойкости в следующем диапазоне параметров плазмы ВЧЕ -разряда: Р=53,2 Па, 0,04 г/с, Рр=1,0 кВт,, л =0,86 А'м2, \У,«68 зВ в атмосфере аргона или при ^ =0,78 А/м\ '№¡=60 эВ в атмосфере воздуха. Аналогичным образом можно определить диапазон изменения параметров плазмы для заданных свойств натуральных кожевенных и синтетических полимерных материалов.

Как видно из приведенных данных, использование плазмы для , модификации волокнистых материалов легкой промышленности, позволяет регулировать значения параметров свойств, создавая различные их сочетания. -

Приведенные результаты исследования показывают, что различие режимов НТП-обработки связано в основном не с природой водокнообразующего полимера, а с капиллярно-пористой структурой материалов легкой промышленности. Чем меньше удельный объем пор и ', капилляров, тем меньше эффект воздействия НТП.

Для определения эмпирических .зуинсимостей физико-механических свойств волокнистых материалов после ВЧ- обработки от основных обобщенных параметров обработки (\У;, Т/Г) и от параметров плазмотрона (Р, О, Рр) , построена математическая модель в виде полного полинома. второго порядка вида: . -

¿' к к У = + + + Е т..

у»] у = 1

где у- характеристика свойств; параметры алазмотрона или разряда (О, Рр, Те/Т); к- количество параметров, влияющих иа'величину у

.{к = (1,4),./', / - порядковые номера параметров, //-коэффициенте полинома'.'

Обработку экспериментальных данных проводили с помощью ■ статистического пакета « Й1а1яатар1псз 2.1 Гог \У1!н1о^з-95», процедура, нелинейной регрессии. Геометрическая ияггерньстащн! полученных моделей, представлена на рис. 1.

ЗАВИСИМОСТЬ РАЗРЫВНОЙ НАГРУЗКИ ПРЯЖИ ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ ВОЛОКОН ОТ ОБОБЩЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДА (ВЧЕ-разрлд, аргон, т~180 с)

72

20 40 ^ " ц \\'ьэЗ

а - леи,

' , V : • / 1 > ;

- V \

Р,в %

30 25 20 15 !0

5

20 « 60.....ад

>Ч,эВ б - ЛДК

Рис. 1

Шестая глава посвящена разработке технологических процессо модификации текстильных материалов, натуральной кожи. Дан . обоснование выбора объекта модификации плазменной обработки, описаш технологические' процессы упрочнения текстильных нитей, шовног хирургического материала, подготовки ткани из натуральных волокон крашешпо и отделке, огнестойкой отделки тканей из льняной пряжи, еборк обуви клеевым методом крепления.

Приведены результаты исследования и рекомендации, позволяюиц интенсифицировать отдельные стадии текстильных и кожевенно-меховь технологических процессов: влажно-тепловую обработку и шлихтоваш пряжи из растительных волокон перед ткачеством, расшлихтовку льняных полульняных суровых тканей, отмоку кожевенного сырья, его золени обезшфивание, обеззоливапие, пнкеливание, сборку обуви клеевь методом..

Конструктивно разработаны варианты ВЧ-плазменных установок д обработки нитей, ткани и натуральной кожи.

Дано технико-экономическое обоснование эффективности плазмеши модификации материалов легкой промышленности. Приведены основш техншсо;экономические показатели внедрения плазменной обработки пря> ¡¡з растительных волокон перед шлихтованием нитей основы и увлажнен нитей утка ткани, а также кожевенного сырья в процессах выде;:^ хромой иижм для верха обуви, затяжной кром< •! 1 -.и., геред I -.мьанксм

у. ;";оП, клеевых материален перед дублированием ткани при рои ¡полет ве костюмом.

В приложении содержатся акгы использования результшо« .(сссргпшюшюа работы на ОАО "Казанский льнокомбинат", ПНШ Иеднис'фумент", АО "Сафьян", швейном предприятии АО "Адонис", Зувном обьединеннн АО "Сппркщ". Суммарный мсономичеекип эффект от •едремня технологических процессов ВЧ - плазменной модификации кт.тлжп 12615,2 рублей.

ВЫВОДЫ

1. Построена математическая модель взаимодействия каппллярло-:>ристых тел с плазмой ВЧ-разряда низкого давлении, которая позволила ¡тановить возможность модификации материалов легкой промышлешГистн помощью неравновесной низкотемпературной плазмы. Определен диапазон (мепепим значений параметров разряда: температура электронов' равна, 40-2320 К, температура атомов и ионов 300-400 К, .концентрация рялссипых частиц 1015-101К м°. Плотность ионнсго тока на поверхность тгсриалов составляет 0,1-3,0 А/м", а энергия ионов, бомбардирующих )вер.чпость 10-90 эВ.

2. Установлено, что материалы легкой промышленности приобретают >вые сочетания свойств за счет объемной модификации в неравновесной ¡зкогемпературноп плазма ВЧ-разряда. Плазменная обработка позволяв г ¡витать прочность, жесткость и водопоглотение, уменьшать иосительное разрывное удлинение при одновременном повышении тойчивостн к истиранию; увеличивать формоустойчнпосгь, раншлаемость, теплостойкость, смачиваемость, капиллярность, »ристость, адгезиоинуто прочность 'и уменьшать усадку. У гидрофильрмх 1териапов уменьшается чувствительность к-механическим воздействиям я 'исутствнн влаги и тепла.

3. На основании анализа результатов экспериментальных и эретнческих исследований параметров' разряда 'и слоя пространственного тяда у поверхности обрабатываемого тела, ?ломентарпых процессов шмолейетвня ВЧ-нлазчы с волок нообразуми ш м и полимерами и зультатоп этого взаимодействия установлено, -что происходит ■дифнкация не только поверхностных стогв гссмстри'гссксП границе, но но всему объему капиллярно-пористых волокнистых материалов легкой омышленносги, обладающих большой удельной поверхностью а отличие

непористых м;ттернлло» органической и неорганической пр^р.ыы ■ипмюП оклад к ма-нп 'ии.-пито внешней новссмкхги тде.'/ий »« I I _ I о к т г, ) _ ^с 1 < 1 1 " > 1 '(1

поверхности твердого тела, термическое возлей.лад,, д ¡5 модификацию «объеме» - решмбшяапш ионов на пов:>ш;ссги пор г, капилляров, и термическое всздсйсшас. Плотность теплового потокд не превышает 8-10' Вт/м2, а энергия «ояоз бомбардирующих поверхность достигает 90 зВ.

4. Впервые установлено, что процессы протекающие в материалах легкой промышленности и ответственные за изменение экс п. • у п гпцкошшх и технологических характеристик изделий легкой промышленности в результате плазменного воздействия ВЧ-разряда низкого давления ймеют одну и туже природу независимо от химического строения и структуры полимера, от состава плазмообразугащего газа. К основным процессам отьетстве!а1ым за изменения параметров материалов легкой промышленности относятся: разделение волокнистой структуры материалов из биополимеров (целлюлозы, коллагена), релаксация внутренних напряженных состояний макромолекул, образование дефектов надмолекулярной структуры за счет образования «захороненных слоев,» атомов плазмосбразуютего газа, приводящих к ограничению конфориацшшюй подвижности макромолекул.

5. Впервые экспериментально установлено, что изменение таких свойств, как прочность, деформация, смачиваемость, содопоглощение, тепло и огнестойкость, происходит без нарушения химическою состава, и микроструктуры полимера..

Под воздействием плазмы упрочнение нитей из растительных волокон увеличивается на 25-65%, из синтетических нитей и монолитен - на 8-12%, ' удлинение уменьшается на 16%, жесткость возрастает в 1,2-1,5 раза, кожевенные материалы упрочняются на 10-21%, текстильные ткани на 5-8%, увеличиваете-', стойкость к истиранию на 30-70%, к многократному изгибу -на 30%, увеличивается прочность лицевого слоя кожи до 25%.

Увеличивается смачиваемость ткани, кожи на 99,99%, капиллярность ткани до 350%, содопоглощение ткани на - 840%, коки - на 100-180%. возрастает устойчивость к температурным воздействиям (температура спаривания дермы-ко;;н;сго покрова в состоянии голья возрастает е 60"С дс £7"С). Уменьшается усадка текстильных нитей и тканей па 80-90%, у. составляет-меньше 1-1,5%. Адгезионная прочность волокнистых материало! увеличивается в сухом состоянии в 1,8-6,8 раз, в мокром в 1,2-1,7 раз пористость кожевенных материалов возрастет на 25-30%.

6. Техпроцессы с применением ВЧ-плазмы позволяют уменьшит! обрывность нитей на ткацком станке за счет плазменной обработки пряжи и: натуральных волокон на стадии подготовки нитей утка и основы к ткачеству интенсифицировать процессы шлихтования нитей основы, увлажнения нитс! утка, уменьшить время влажно-тепловой обработки пряжи для нитей ут,

соз'л'сст:; 1 г, нрочссс усадки, вытяпща.чия и термофшгации сиптстичесхих

Разработана схема техпроцесса стсршмташш хирургического шстюге мтсрната, не ухудшающего его мехппичсскпс и физические характеристики, и г:о,!-.->дмс--И!С*го >'.; >;,- /сугь аерильпуга продукции • у;;:е упакояасмом г.пдс. Тсхиатю ичеокгс операции подготовки т;-. -;:п к крашению или отделки с гспол!/!!'!'ГП: позволяют сократить яргмя и материально-энсрпя'л.-.-здю :»пг га проассс рзсшлкхтопаиия суровых тканей путем пе'сночения из •..г.Лхтса использования ссрпоП хиспога и икло!,;г, уменьшения тсл;п'4..г.'у(.>гл промьтго'шей воды до 20;'С, увеличением количеп ца регенерируемого крахмала.. Ис1*с.!Ь'?сг;атшб плазчекиого возденет л;:м ¡щ те ильные ткачи па е-тадпи отделкц ее спзцсоставамп-позволил увеличить огнестойкость ткани па 48%.

7. ВЧ-плгпмсипь'с техпроцессы модификации кожи ' наиболее 3(| фектшшо могут быть использованы для иигснспфикзшги процессов отхшкг. (г» 5-6 раз), золения (в 1,5 раза), обезболивания (в 6-7 раз), иикелсваиня (в 2 раза). Техпроцесс, вьтделии кожи за счет применения плазменной обработки стг.нозится более 'экологически чистым, т.к. сокращается применение кислот и щелочей,'почитается сортность ко;:;н за счет повышения ее однородности, эластичности.

8.' Разработанный комплекс оборудования к технологических процессов позвонил решить ряд ваялгых прикладных задач, обеспечивающих управление технологическими, эксплуатационными, потребительскими и защитными свойстяами материалов легкой промышленности и изделий из них; интенсификацию производства текстильных и кожеаемшх материалов, получить экономический эффект 12615,2 млн. руб.(в ценах )9У7г).

Работы но теме диссертации

1. Абдуллин ИЛИ, Абуталипова - Л .It., .-Мачочкина JI.IO. Влиянп низкотемперату-тнюй неравновесной плазмы на водостойкость кожевенног полуфабриката// Текстильная химия.-1997-.Ко 2,- С.48-50

2. Чбдуллип П.Ш., Абуталинова Л.Н., Хамматова В.В., Давлстбасв 1 ¡Л Возможности отделки хлопчатобумажных швейных пи гей с комошм неравновесной низкотемпературной плазмы // Теория и иран-тика разрр.Счнк оптимальных технологических процессов и конструкций .!« -ret-стильно, производстве: Сб. медслупап. техн. ксиф.- Имлопо: ИГ ГА, 1996.- С.165-1о6

3. Абдуллии И.Ш., Лвут.шкпова Jl.H,, Хам матова 15.В., Давле |баев П.! Неравновесная низкотемпературная плазма в решении экологически проблем текстильного произсодсгва: Сб. Международной научис технической коиферешш. - Иваново: НГТА, 1996.- С.326

4. Абдудзкн П.Ш., Абутглииова Л.Н., Хамматова В.В. Создание нопы гехнолотии " отделки текемиышх материалов с использование низкотемпературной плазмы: Сб. Международной _ научно-тсхничееко конференции. - Казань: КГТУ нм.Туиллсва, Т99о.- С".125

5. Абдуллии I1.L1I., Абутадшюса Л.Н.', Хаммптова В.В., Дпялетяев ! S.I Решение экономических * задач текстильной -промышленности ир использовании низкотемпературной icuumw //Актуальные проблемы техник и технологии переработки /п'.иа и нроизводствп льняных изделий: С( междунап. научно-тсхн. коифер,- Кострома. ¡996,- С.!.:.'- .

'6. Абдуллин И.Ш., Абуталтгоьа Л.И., Хамматова И.В., Давлстбас» ИЛ Состояние перспективы производства льняных .материалов и а Каззисхо льнокомбинате с использованием вакуумных установок // Актуальны проблемы техники и технологии переработки льна и производства дыишы изделий ' Сб. междуиар. научио-течк. копфеп.- Кострома. 1996,- С.103

7. Абдуллии ИЛИ/, Абуталнпова Л.Н., Хамматова В.В. Об acj фективности использования неравновесной низкотемпературно!! плазмы^ . технологии текст идьиых материалов // Структура и свойства материалов: С( междунар. симпозиума.-Москва, 1996.г С.д9-40

"8. Абдуллии Й.Ш., Абуталинова Л.Н., Хамматова В.В., Сафиуллнн' Р.1 Решение проблем переработки сельскохозяйственной продукции 'на осног применение текстильных фильтров обработанных низкотемпературно плазмы // Экологические проблемы хранения, переработки и использован; вторичного сырья: Сб. научно-техн. конфер. - Рпмини Италия. 1996,- С.55

9. Абдуллии ИЛИ, Абуталипова Л.Н., Хамматова В.В. Снижеш отрицательного влияния текстштьного производства на атмосферу помощью низкотемпературной плазмы : Сб.научно-техническс конференции. - Москва: ВИНИТИ, 1996,- СЛ21-122

10. Абдуллии A.ILL, Абуталипова Л.Н., Хамматова В.В., Давлетбае И.Г. Влияние низкотемпературной плазмы на огнестойкость натуральны тканей; Сб. Международной конференции. - Иваново: ИГТА, 199/.- С.15(

11. Абдуллин И.Ш., Абуталипова Л.Н., Хамматова В.В. Особсниост ■изменения..структуры текстильных материалов в результате воздейетти низкотемпературной плазмы: Сб. Международной "научно-тсхническс конференции.-Иваново: ИГТА, 1997:-С.214"

12. Абдуллин И.Ш., Абуталипова Л.Н., Хамматова В.В. Использован! плазменной установки ВЧ-разряда . низкого давления при отдел! текстильных материалов // Современные технологии текстнльис промышленности: Сб. всеросийской научно-технической конференции. Москва. 1997,- С.133-134 " 1

13. Пат. N 97120335/12, МКИ6 С14С9/00. Способ отделки кож. / И.Ш. Абдуллии. Л.Н. Абуталипова, Л.Ю. Махоткина

14-, Патент на изобретение N 95114921/14 (025098) Способ обрабоп хирургических шовных нитей МКИ 6А 61 L 2 '14 от 21 08 95 Абчталипо! Л.Н , Абдуллин 11.LIJ., Хамматова В.В , Юре. в Б А

1;\ Лблудчии Н.Ш., Абуталипова Л.Н., Хамматопа В.В. Нераанопесизя н<отемпературшш плазма" в процессах модификации натуральных п ггстпческих нитей. BMIU 1ТИ, Деп № 2838-В95 от 25.10.95.

16. Абдуллни И.Ш., Абуталппопл .Ч.Н., Хамматова В.В. Применение ззмы при обработке натуральных тканей и нитей. Информационный лист 136-95. - Казань : 1ДНТИ, 1995,- 2с.

17. Аблуллнн li.il!.. Абуталипова Л.И., Хамматова Н.В. Плазменная аюлогия процесса обработки синтетических нитей, гтимспясмых в легкой умышленности. Информационный лист № -1-1-96 .- Казань: ЦНТИ, 1996,18. Патент на изобретение № 9711160S от 14.07.57. ВИКИ ГПЭ.

особ стерилизации хирургических шовных нитей. Абугалипова Л.1-1., 'Дч'лли"i JILL!., Хаммагопа 15.В., Студсникнна Ф.Г.

19. Абдуллин И.11.1., Аоуталипова Л.Н., Хамматова В.В., Г.Давлстбаев. Улучшение эксплуатационных характеристик и льняных шеи и нитей, с помошыо неравновесной низкотемпературной плазмы '// облсмы развития малоотходных ресурсосберегающих экологически стых технологий и тексгнлыюй и легкой промышленности : Сб. междунар. учио-техи. конф. - Иваново: ИГТА.1995,- С.123-124.

20. Абдуллин И.Ш., Абуталипова Л.И., Хамматова В.В. Плазменная отология отделки текстильных материалов в высокочастотном разряде зкого давления: Сб. 8 конференции по физике газового разряда. ч.1,-зань, 1996,-С.67-68 .

21. Абуталипова Л.И., Хамматона В.В. .Плазменная технология оцесса обработки полимерных материалов : Сб.. второй республиканской учнон конференции молодых ученых и специалистов. 41. Казань, 1996,22. Абдуллни И.Ш., Абуталипова Л.Н., Хамматопа В.В. Плазменные

шологии отделки материалов из синтетических волокон //Состояние и рспсктивы развития вакуумной техники: Сб. междунар. научно- тех», нфер,-Казань, 1996.-0.95"

23. Абдуллигг И.Ш., Абуталипова Л.Н., Хамматова ВВ., Г.Давлетбасв. Исследование физако-механичсскнх свойств, льняных, «пильных материалов под воздействием низкогемиератушой плазмы: Сб. учно-техни ческой конференции. - Казань: КГТУ, 1996. -С.31

24. Абдуллин И.III., Абуталипова Л.Н., Хамлчона В.В. Исследовать фекта плазменного воздействия на текстильный »лагерная из. натуральных аокон //Сб. 1 Региональной межвузовской .конференции "Актуальные облсмы химии, химической технологии и химического образования" . аново : ИГХТА, 1996.- С. 169

25. Абдуллин И.III, Абугалипова Л.Н., Хамматова В.В. Снижение энцательпого влияния текстильного производства на окружающую среду с мощыо низкотемперапгурной плазмы : Сб. международной научно-<нической конференции . КамПИ. Наб.Челны .4.2., 1996. - С.66-67

26. Абдуллин И.Ш., Абуталиппга Л.П.. Хамматова ВВ., Сафиулпин Использование низкотемпературной плазмы з решение ком-плексной

яач по экологии па сельскохозяйственную продукц. чо: Сб. .научно* шпческой конференции.-Вологда, 1996. -С.218-2Т9

27. Абдуллин И.Ш., Абуталипова Л.Н., ХаммаТО'й» Т1В. "Влияние зкотемпературной : плазмы на свойства сиигетичее^их нитей: Сб. _ 6

декой студенческой научной конференции. - Екатеринбург, 1996,-

.28. Абдуллин И.Ш., Абугалипова Л.Н., Хамматова В.З. Использование зкотемпературной плазмы в основе созданий новых технологий для мико-текстильного производства Н Экология _ и •. безопасность 13нидеятельносг.1, научно-прикладные проекты: Со. мегсдунгро'-шого мпозиума. - Волгоград, 1996,- С. ¡06-10? • .

29' Абдуллин И.Ш., Абугалиаоза Л.И., Хамматопа П.«. Влияние гювий обработки в высокочастотно»; разряде на свойства полимерны < териалов // Синтез, исследование свойств,, модификличл и нерерамчк;«-

высокомолекулярных соединений : Со. межрегиональной научно-практической конференции. - Казань: КП'У, ¡996,- C.77-7S

30. Абдоллин*И.Ш., Абуталипова Л.11., >,амматова В В., Сафиу.члш P.P. Перспективы применения плазмы в технологически!'! процессах i пищепои промышленности : Сб. межрегиональной научно-практпчсско) конференции. - Казань: КП'У, 1996,- С. 10-11

31. Абдуллии MILL, Абуталипова Л.П., Махоткина J1.IO. Экспо-риментальные'исследования поверхностных свойств кож при илазменно," обработке.-ВИНИТИ, 1996,-С.13-15

32. Абдуллии И.Ш., Абуталипова JT.H., Махоткина Л.10 Неравновесная низкотемпературная плазма в процессах изменения физико-механических свойств натуральных кож с естественной лицевен поверхностью : Сб. 8-ой конференции по физики газового разряда. - Рязань 19У6.-С. 25 ^

33. Абдуллии И.Ш., Абуталипова Л.Н., Махоткина ЛЛО. Исследования свойств натурального белкового полимера при обработкч низкотемпературной плазмой // Проблемы теоретической i экспериментальной химии : Сб. б всероссийской студенческой научно! конференции,- Екатеринбург, 1996. -C.2S

34. Абдуллии VI.Ш., Абуталипова Л.Н., Махоткина ЛЛО. Плазменная обработка натуральных кож в высокочастотном разряде при пониженны? давлениях // Синтез, исследования свойств, модификация^ и лерсрабопа высокомолекулярных соединений: Сб. 8 международной конференцш молодых ученых .- Казань, 1996.

35. Абдуллии И.Ш., Абуталипова Л.11, Махоткина ЛЛО. Плазменная обработка в технологии пооизводства натуральных кож : Сб. международно! конференции. - Иваново. 1996. -С.24

36. Абдуллии И.ill., Абуталипова Л.Н., Махоткина ЛЛО. Плазменная технология в производстве хромовых кож : Сб. международно? конференции.- Кострома, 1996. - С.31

37. Абдуллии И.Ш., Абуталипова Л.Н., Махоткина ЛЛО. Интен сификация технологических пр'оцессов производства натуральных кож < использованием вакуумного оборудования : Сб. международной конфе рении и. - Казань. 1996. - С.28

38. Абдуллии ИЛИ., Абуталипова Л.Н Махоткина Л.10., Осин 10.11 Исследование влияния низкотемпературной плазмы на микроструктур) поверхности натуральных кож: Сб. международной конференции пс микроскопии твердого тела,- Казань, 1996. - С. 14

39. Абдуллии И.LIT, Абуталипова Л.Н., Махоткина ЛЛО. Технология производства натуральных кож с применением ВЧ-разряда / Международны! семинар. - Казань: КГТУ, 1996,- С.18

40. Абуталипова Л.Н. Физические основы взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с -капиллярно-пористым! полимерными материалами легкой промышленности.--Казань. 1997. 168 с

41. Основы применения ЭВМ в расчетах машин и anriaparoi химической технологии: Учебное пособие / Р.Ш. Еиалеев, М.С. Мищенко М.А. Смирнова, Л.Н. Абуталипова и др. / КХ'ГИ. Казань, 1986. 84 с.

42. Основы применения ЭВМ в расчетах машин и аппарато! химической технологии. Лабораторный практикум: Учебное пособие / Р.Ш Еналеев, В.А. Качалкин, Л.Н. Абутапипова и др. / КХТИ. Казань, 19S7. 68с.

43. Абуталипова Л.Н. Интенсификация процессов технологии кожи Текст лекции. - Казань, КГТУ 1998. 48е,

44. Абуталипова Л.Н. Полимеры как новый объект модификации с помошыо низкотемпературной плазмы: Текст лекций. Казань, КГТУ, 1998 52с.

45. Абуталипова Л.Н. Модификация волокнисты: высокомолекулярных материалов легкой промышленности неравновесно! низкотемпературной плазмой: Учебное пособие. -- Казань, КГТУ, 1998.-С.72

. 46. Абдуллии И.Ш., Абуталипова J1.1I., Хам матова В.В., Давлетбае) И.1 . Антимикробная отделка синтетических ма1ериалов с иомошьк низкотемпературной плазмы: Сб. научной чч.л-ни КГ! У. -Казань, 1998.-c.98

47. Лбдуллип И.Ш., Лбуталипова Л.Н., Хамматопа В.В., Гришанова 1.Л. Технологический процесс шлихтования 1П!тей с использованием ВЧ->азряда: Сб. научной сессии КГГУ.-К;г>;шь, I998.-C.9S

4:>, Лбдуллип П.Ш., Лбуталипова Л.Н., Махоткпна Л.10., Коваленко В. И. Структура голья КРС после воздействия низкотемперагуопой юравновеснон плазмы: Сб. научной сессии КГ'ГУ. -Казань, 1998,- С.'99.

49. Лодуллпн И.Ш.', Лбуталипова Л.Н., Махоткина Л.Ю. Эффективность' плазменной активации смачиваемости кожевенного юлуфлориката: Сб. научной сессии КГТУ. -Казань, 1998,- С.99.

и

С;

Заказ 89.

Офсетная лаборатория Ги'ТУ 42СС)15, Казань, К. :.:ар«еа,

Тлраж ВО

л -

¿0 и 9 J

ШЫ

Казанский Государственный Технологический университет

На правах рукописи

АБУТАЛИПОВА Людмила Николаевна

Волокнистые высокомолекулярные материалы легкой промышленности в процессах обработки потоком

плазмы ВЧ-разряда.

Специальность 05.19.01 Материаловедение (текстильное, кожевенно-меховое, обувное, швейное)

Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.

Научный консультант, д.т.н. профессор, академик РАМТН Абдуллин И.Ш.

Казань 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения

Введение

Глава 1. Модификация волокнистых высокомолекулярных материалов легкой промышленности - эффективный способ улучшения свойств изделий массового потребления

1.1. Свойства изделий и определяющие их параметры

1.2. Методы традиционной обработки материалов легкой промышленности

1.3. Электрофизические методы активации текстильных и кожевенных материалов

1.4. Задачи исследования

Глава 2. Теоретическое обоснование модификации материалов легкой промышленности ВЧ-плазмой низкого давления

2.1. Постановка задачи математического моделирования плазмы ВЧ-разряда низкого давления

2.2. Теоретическое исследование взаимодействия ВЧ-плазмы низкого давления с капиллярно-пористыми телами

2.3. Оценка параметров взаимодействия ВЧ- плазмы низкого давления с капиллярно-пористыми материалами

Глава 3. Высокочастотная плазменная установка и ее технологические параметры в процессе модификации волокнистых высокомолекулярных материалов легкой промышленности

3.1. Методика и аппаратура для экспериментальных исследований параметров ВЧ- плазменной установки

5 7

19 19 28

36 43

48

48

62

68

85

3.2. Характеристики плазменной струи ВЧИ- разряда низкого давления, используемой для обработки материалов

легкой промышленности 95

3.3. Характеристики плазменной струи ВЧЕ- разряда с продувом газа низкого давления, используемой для обработки материалов легкой промышленности 109

3.4. Основные обобщенные параметры модификации материалов легкой промышленности неравновесной низкотемпературной плазмой 126

3.5. Анализ процессов взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления с материалами легкой промышленности 136

Глава 4. Экспериментальное исследование свойств материалов легкой промышленности, обработанных неравновесной низкотемпературной плазмой 155

4.1. Объекты исследования, методики определения свойств материалов и проведения экспериментальных исследований 155

4.2. Исследование физико-механических свойств текстильных материалов, обработанных неравновесной низкотемпературной плазмой ВЧ- разряда 169

4.2.1. Механические свойства текстильных нитей и тканей 170

4.2.2. Физические свойства текстильных материалов 190

4.3. Исследование физико-механических свойств натуральных кожевенных материалов 216

4.3.1 Механические свойства натуральных кожевенных материалов 216

4.3.2 Физические свойства натуральных кожевенных материалов 222

4.4. Исследование устойчивости эффекта модификации материалов легкой промышленности 241

4.5. Структурные изменения волокон и волокнообразующих полимеров под воздействием струйной высокочастотной низкотемпературной плазмы 247

Глава 5. Физическая модель модификации материалов легкой промышленности под воздействием высокочастотной плазмы низкого давления 309

5.1. Основные процессы, протекающее в высокомолекулярных волокнистых материалах легкой промышленности под воздействием неравновесной низкотемпературной плазмы 309

5.2. Физические закономерности комплексного изменения свойств волокнистых высокомолекулярных материалов при воздействии на них низкоэнергетическими частицами 351

Глава 6. Технологические процессы модификации изделий легкой промышленности с помощью ВЧ-плазменной обработки 375

6.1. Типовые представители изделий легкой .промышленности, подвергаемые ВЧ-плазменной обработке 373

6.2. Технологические процессы модификации нитей и тканей

с помощью ВЧ-плазменной обработки 375

6.3. ВЧ-плазменная обработка в технологическом процессе производства натуральной кожи 406

6.4. Технико-экономическое обоснование эффективности плазменной модификации изделий легкой промышленности 427

Общие выводы 437

Литература 441

Приложение 1 474

Приложение 2 477

Приложение 3 482

Приложение 4 489

Приложение 5 496

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ НТП - низкотемпературная плазма;

ВЧ-, ВЧЕ-, ВЧИ - высокочастотный, емкостной, индукционный; Рн - разрывная нагрузка нитей, тканей; Ер -условный модуль упругости;

Рщг - прочность покрытия кожи к многократному изгибу; 8р - удлинение кожи;

Кои - относительный коэффициент износостойкости; Нк - водонамокаемость кожи; N3 - относительная влагоемкость; И - глубина проникновения красителя; Уп - пористость кожи;

Ъш - содержание несвязанных жировых веществ;

П - относительный коэффициент оптического поглощения;

К0 - относительный коэффициент оптического отражения;

X - длина волны;

КРС - крупнорогатый скот;

ДКП - дубленый крашеный полуфабрикат кожи;

ЛДК - льноджутокенаф;

ОЗР - огнезащитный раствор;

СВЧ - сверхвысокая частота;

НЧ - низкая частота;

УФ - ультрафиолетовое излучение ;

СПЗ - слой пространственного заряда;

Бел - толщина приэлектродного слоя объемного заряда;

исл - скачок потенциала на слое;

- энергия ионов; к - ионный ток на поверхность; (3; - коэффициент ионизации;

- эффективная частота соударений электронов; Пкр - критическая концентрация электронов;

Ун^ - степень неидеальности;

- индекс, определяющий вид частиц; со - круговая частота электромагнитного поля; а - постоянная затухания; 80 - диэлектрическая постоянная; ] - плотность тока;

1Ф;2(г,2) - азимутальная и аксиальная составляющего вектора плотности тока;

У0 - доля объема межэлектродного пространства, занимаемая диэлектрическим материалом;

С)рек - поток энергии рекомбинации; ^

Топь \^изя - мощности теплопроводности, излучения; О - расход плазмообразующего газа; иэ - напряжение на электродах;

- поверхностная плотность атомов.

ВВЕДЕНИЕ

Современные условия развития внутреннего рынка и влияния на него внешнеэкономических связей ставят перед легкой промышленностью целый комплекс задач, связанных с производством высококачественных изделий.

Проблемы повышения конкурентоспособности изделий легкой промышленности имеют большое социально-экономическое, государственное значение. Одним из эффективных путей их решения является оптимизация свойств материалов, используемых для производства товаров народного потребления. Это требует проведения систематических фундаментальных исследований, которые охватывают значительное количество разделов научных направлений, в том числе, создание высокоэффективных методов обработки материалов, обеспечивающих их модификацию.

Качество изделий легкой промышленности во многом зависит от конструктивных решений, технологии их изготовления, от свойств материалов, соответствия их комплексу требований гигиенического, защитного, эксплуатационного характера. Удовлетворение этому комплексу требований обеспечивается, прежде всего, соответствующими физико-механическими, физико-химическими свойствами материалов.

Повысить конкурентоспособность изделий легкой промышленности (одежды, обуви и т.д.) возможно несколькими путями, например: изменив конструкцию изделия, применив новое оборудование, технологию обработки деталей и сборки конструктивно-технологических узлов, создав новые текстильные, нетканые, натуральные и искусственные материалы или придав им новые, заданные свойства.

В процессе эксплуатации внешним воздействиям (механическим, тепловым, химическим и т.д.) подвергаются в, первую очередь, поверхностные слои материалов, и от их прочности, стойкости зависят добротность, долговечность изделий. Поскольку именно с поверхности начинается

механическое разрушение, коррозия, старение, в технологиях переработки материалов применяются различные методы поверхностной модификации. В металлообработке - наклеп, азотирование, цементация, воронение, в технологии строительных материалов - аппретирование серой, смолами, полимерами, в технологии текстильных материалов, кожи и меха - дубление, поверхностное крашение, аппретирование различными составами для придания определенных свойств и т.д. Традиционные методы модификации поверхности изделий текстильной, кожевенно-меховой промышленности (механические, термические, химические, химико-термические, электрохимические) не позволяют комплексно улучшить характеристики поверхности и создают ряд проблем, важнейшими из которых являются дефицит сырьевых и энергетических ресурсов, загрязнение атмосферы и промышленных стоков, и не всегда могут удовлетворить всё возрастающие запросы потребителей. Существенным недостатком традиционных методов обработки является то, что изменение в заданную сторону одного параметра сопровождается, как правило, ухудшением других свойств материала.

Уменьшить остроту указанных проблем позволяет использование, например, в текстильной промышленности плазмохимической технологии, характеризующейся меньшим потреблением химических реагентов и загрязнением окружающей среды. Однако плазмохимические методы модификации имеют ограниченные области применения за счет того, что всегда связаны с изменением химических свойств материалов. Вместе с тем имеется разновидность плазменной обработки, которая используется для воздействия на металлы и их сплавы, полупроводники, стекла, полимеры, без плазмохимических реакций - это физическая модификация в неравновесной низкотемпературной плазме (НТП) [1-5]. Преимущество такого метода заключается в отсутствии химических превращений на обрабатываемой плазмой поверхности и неизменности химического состава полимеров. В связи с этим в настоящее время ведутся исследования по установлению

закономерностей изменения эксплуатационных, потребительских и технологических свойств полимерных материалов за счет структурной и физической модификации их поверхности путем плазменного воздействия. Однако пока в этой области отсутствуют систематические исследования, которые могли бы дать полное представление о закономерностях изменения свойств волокнистых полимерных материалов различной природы (текстиль, кожа, мех) в зависимости от технологических параметров плазмы, до сих пор не разработана физическая модель процесса взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с волокнистыми высокомолекулярными материалами, имеющими капиллярно-пористую структуру, а также отсутствуют рекомендации по рациональной технологии и режимам обработки указанных материалов. Исследование взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с волокнистыми полимерными материалами и создание на их основе технологических процессов плазменной физической модификации позволят управлять свойствами материалов для различных условий эксплуатация и назначения изготовляемых из них изделий, а также позволят интенсифицировать процессы переработки сырья, полуфабрикатов.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной задачи-комплексного улучшения технологических, эксплуатационных, гигиенических и защитных свойств волокнистых материалов, используемых для изготовления одежды, обуви и других изделий легкой промышленности путем направленного изменения их свойств с помощью обработки струйной низкотемпературной плазмой ВЧ-разряда.

В диссертации изложены результаты работы автора в период с 1987 по 1998 г.г. по исследованию, разработке и внедрению процессов и оборудования, позволяющих управлять свойствами текстильных материалов из природных, искусственных и синтетических волокон, натуральных кожи и меха.

Работа, выполненная в Казанском государственном технологическом университете в соответствии с научно-технической программой ГКНТ

«Перспективные материалы и изделия лёгкой промышленности», в рамках Российской научной программы ЛЕНТЕК-34 Раздел № 34.7.1 «Создание новых видов связующих, плёнкообразующих полимерных композиций...» и во Всероссийском научно-исследовательском проектном институте "Мединструмент" в соответствии с Федеральной программой РФ «Развитие медицинской промышленности и обеспечение лекарственными средствами и медицинской техникой на 1994-1997 годы», посвящена созданию научно-обоснованных технологических разработок, обеспечивающих решение ряда важных прикладных задач легкой промышленности.

В первой главе приводится анализ наиболее распространенных методов модификации волокнистых высокомолекулярных соединений, используемых для изготовления одежды, обуви и других изделий народного потребления, рассматриваются их возможности в формировании различных свойств. Приведены сведения о параметрах, характеризующих свойства изделий и их изменения в технологических процессах производства текстильных нитей, тканей, натуральных кож и изделий из них.

Рассмотрено современное состояние электрофизических методов изменения свойств обрабатываемых материалов. Обоснована эффективность применения низкотемпературной высокочастотной плазмы для модификации текстильных, кожевенно-меховых материалов.

Диссертантом установлено, что модификацию волокнистых высокомолекулярных материалов легкой промышленности и изделий из них можно осуществлять, применяя ВЧ-плазменную обработку. Такие работы ведутся, например, группой исследователей Ивановской государственной химико-технологической академией, Казанского государственного технологического университета в содружестве с ГУЛ ВШШИМИ, Московской государственной текстильной академией и т.д..

Подробно рассмотрено, какие свойства текстильных материалов изменяются под воздействием низкотемпературной плазмы, какие виды

разрядов используются для активации полимерных материалов, как трактуется процесс взаимодействия плазмы с твердыми телами, выделены основные факторы, подлежащие исследованию в данной работе ввиду недостаточной теоретической и практической разработок.

На основании анализа опубликованных работ установлено, что в настоящее время до конца не реализованы потенциальные возможности плазменной технологии модификации волокнистых материалов легкой промышленности. До сих пор не существует единой концепции, в рамках которой описывалось бы поведение текстильных и кожевенных материалов при плазменной обработке, позволяющей априорно решать вопрос о преимуществах того иного типа разряда, его параметрах.

Отсутствие теоретических зависимостей между свойствами материалов и параметрами разряда не позволяет корректно описать процесс взаимодействия НТП с волокнистыми полимерными материалами и изделиями из них. Показано, что в плазменной технологии не сформулировалась как самостоятельная часть направление по управлению сочетанием свойств материалов для изделий народного потребления.

Обзор литературы доказывает своевременность развитого в диссертации направления, которое предполагает: выявление факторов, ответственных за модификацию свойств; установление, разработку физической модели взаимодействия плазмы с полимерными материалами; аналитическое обоснование пределов регулирования показателей свойств и пределов показателей параметров плазмы, ответственных за модификацию, поиск связи между показателями свойств и характеристиками плазмы, и плазмотрона.

На основе обобщения информации по вопросам модификации материалов легкой промышленности с целью придания им определенных технологических, эксплуатационных и потребительских свойств проведен анализ результатов исследований в этой области науки и техники, что позволило сформулировать цель и основные задачи работы.

Во второй главе дается теоретическое обоснование возможности модификации материалов легкой промышленности неравновесной ВЧ-плазмой. Разработана математическая модель квазинейтральной плазмы ВЧ-разряда низкого давления, которая описывает технологические характеристики емкостного разряда: пространственные распределения концентраций заряженных частиц, электронной и газовой температур, напряженности электрического поля.

Разработанный численный алгоритм и программа расчета основных технологических характеристик плазмы ВЧ-разрядов низкого давления путем решения нелинейной краевой задачи для системы дифференциальных уравнений позволили провести численный эксперимент, в результате которого установлены теоретические зависимости основных технологических характеристик ВЧ-разряда низкого давления от давления газа, межэлектродного расстояния, приложенного ВЧ-напряжения, частоты поля. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с данными экспериментальных исследований и существующими представлениями об элеме�