Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Искусственные высокомолекулярные материалы, приме няемые в автомобилестроении и в обувной промышленности, их струк тура и методы модификации 12
1.1 Искусственные высокомолекулярные материалы, из волокнистых природных полимеров, применяемые в автомобилестроении и в обувной промышленности 12
1.2 Волокнистое сырье, применяемое в производстве картонов 28
1.3 Проклеивающие материалы, входящие в состав картонов 32
1.4 Физико-механические свойства и структура картонов 39
1.5 Традиционные методы модификации картонов 44
1.6 Электрофизические методы модификации картонов 48
1.7 Задачи диссертации 50
Глава 2 Описание установки для модификации искусственных высокомолекулярных материалов в низкотемпературной плазме пони женного давления, объектов и методов исследования 52
2.1 Описание экспериментальной высокочастотной емкостной плазменной установки для модификации искусственных высокомолеку лярных материалов и ее характеристики 52
2.2 Выбор объектов исследования 55
2.3 Методики проведения исследований характеристик картонов 59
2.4 Оценка погрешности измерений характеристик картонов 69
Глава 3 Экспериментальное исследование влияния низкотемпера турной плазмы пониженного давления на картоны и его волокнистые компоненты 71
3.1 Влияние потока низкотемпературной плазмы пониженного давления на свойства волокнистых компонентов картона 71
3.2 Экспериментальные исследования влияние потока низкотем-пературнои плазмы пониженного давления на свойства технических картонов 77
3.3 Экспериментальные исследования влияние потока низкотемпературной плазмы пониженного давления на свойства обувных картонов 86
3.4 Влияние воздействия низкотемпературной плазмы пониженного давления на структуру картона 103
3.5 Физическая модель взаимодействия картона с низкотемпературной плазмой пониженного давления 108
Глава 4 Разработка картонов, модифицированных с помощью низкотемпературной плазмы пониженного давления 115
4.1 Разработка рекомендаций по промышленному применению низкотемпературной плазменной обработки в производстве технических и обувных картонов 115
4.2 Получение картонов с предварительной плазменной модификацией их волокнистых компонентов и последующей обработкой готовых листов материала 121
Выводы 126
Литература 128
Приложения 145
- Волокнистое сырье, применяемое в производстве картонов
- Методики проведения исследований характеристик картонов
- Экспериментальные исследования влияние потока низкотем-пературнои плазмы пониженного давления на свойства технических картонов
- Получение картонов с предварительной плазменной модификацией их волокнистых компонентов и последующей обработкой готовых листов материала
Введение к работе
В связи с тем, что в настоящее время рынок легкой промышленности переполнен импортным товаром, актуальной проблемой является повышение качества отечественной продукции и обеспечение ее конкурентоспособности.
Сегодня в сфере автомобилестроения широкое распространение получили уплотнительные прокладочные детали, изготовленные из технических картонов. Преимуществом данного материала является стойкость к многократным деформациям, эластичность, прочность, устойчивость к сухому и мокрому трению. Однако, постоянно растущие потребности людей диктуют необходимость непрерывного расширения производства технических картонов и улучшения их качества.
На сегодняшний день накоплен достаточно большой опыт применения обувных картонов на базе коллагенсодержащих и целлюлозосодержащих природных полимеров для изготовления внутренних и промежуточных деталей низа обуви. Однако использование обувных картонов тормозится рядом объективных причин. Выпускаемые в промышленном масштабе обувные картоны имеют высокие гигиенические свойства, характеризуются устойчивостью к истиранию и многократному изгибу, но в тоже время обладают недостаточной эластичностью, прочностью и формоустойчивостью.
Улучшение и изменение физико-механических свойств готовых листов картона возможно за счет использования традиционных методов модификации картонов и их компонентов. Однако традиционные методы модификации материалов имеют ряд недостатков - высокая трудоемкость процессов и их относительно небольшая эффективность. Кроме того, подобные методы модификации не позволяют комплексно улучшить механические и физические свойства картонов.
Альтернативой традиционным методам модификации могут быть электрофизические способы модификации. К ним относятся методы изменения свойств обрабатываемых материалов под воздействием электрического тока, его разрядов, электромагнитного поля, в том числе и высокоэнергетических
импульсов, электронного или оптического излучений и магнитострикции. Среди перечисленных методов модификации материалов все чаще применяется обработка с помощью потока низкотемпературной плазмы пониженного давления. Такая разновидность плазменной обработки является одной из ключевых технологий, данный вид модификации позволяет осуществлять объемную обработку картона.
Работа направлена на решение актуальной проблемы получения картона для автомобилестроения и обувной промышленности с улучшенными физико-механическими свойствами за счет последовательной обработки волокнистых компонентов картона и готовых листов материала с помощью низкотемпературной плазмы пониженного давления.
Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете при поддержке грантов АН РТ № 06-6.4-113 и № 06-6.4-299 по теме «Высокочастотная плазменная струйная обработка твердых тел компактной и капиллярно-пористой структур» 2002 - 2005 г.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка композиционных материалов на базе волокнистых природных полимеров, обладающих новыми улучшенными физико-механическими свойствами за счет предварительной обработки коллагенсодержащих и целлюлозосодержащих компонентов и последующей модификации готовых листов материала с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
проведение анализа эргономических и эксплутационных характеристик материалов на базе коллагенсодержащих и целлюлозосодержащих природных полимеров, применяемых в автомобилестроении и обувной промышленности;
установление закономерностей влияния низкотемпературной плазмы пониженного давления на волокнистые компоненты картонов и готовых листов материала;
проведение экспериментальных исследований для выявления основных структурных изменений технических и обувных картонов, модифицированных с помощью низкотемпературной плазмы пониженного давления;
разработка физической модели взаимодействия картона с низкотемпературной плазмой пониженного давления;
разработка схемы технологического процесса получения картонов, модифицированных с помощью низкотемпературной плазмы пониженного давления.
Методы исследований. В работе для решения поставленных задач использовались современные и стандартные методики.
В качестве объектов исследования выбраны технический картон марки МП, обувные картоны марки СЦМ, С, ЗМ-1, а также волокнистые компоненты картона крафтцеллюлоза и кожевенные отходы.
Эффект обработки низкотемпературной плазмой исследовался на различных стадиях получения материала: предварительная плазменная модификация волокнистых компонентов картона с последующей обработкой готовых листов материала.
Для установления механизма воздействия потока низкотемпературной плазмы пониженного давления на технические и обувные картоны, а также для исследования структуры, состава, физико-механических свойств материалов применялись сканирующая электронная микроскопия (SEM) с применением электронного микроскопа XL-30 ESEM ТМР, рентгеноструктурный анализ, а также стандартные методики. Определяли истираемость обувного картона во влажном состоянии, жесткость при статическом изгибе, предел прочности и относительного удлинения, устойчивость задников из обувного картона к оседанию. Проводили исследования плотности и удельного объема, предела прочности при растяжении в сухом виде, изменение линейных размеров, впитываемо-сти воды, бензина, масла, сжимаемости и влажности технических картонов, применяемых в автомобилестроении.
Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением математической статистики при доверительной вероятности 0,95.
Научная новизна работы.
1. Разработаны новые композиционные материалы на основе коллаген-содержащих и целлюлозосодержащих природных полимеров за счет объемной модификации их в потоке низкотемпературной плазмы пониженного давления, применяемые в автомобилестроении и обувной промышленности.
Установлено, что наибольший эффект воздействия низкотемпературной плазмы пониженного давления достигается в процессе предварительной обработки волокнистых компонентов картона и последующей модификации готовых листов материала.
Доказано, что плазменная обработка волокнистых компонентов картона в режиме Р = 26,6 Па, G = 0,04 г/с, плазмообразующий газ аргон, время обработки коллагенсодержащих материалов в течение to6p = 5 мин, мощности разряда Wp= 1,8 кВт и целлюлозосодержащих компонентов при ^ = 3 мин и Wp= 1,1 кВт позволяет получить волокна с гидрофильной поверхностью.
Установлены оптимальные режимы плазменной обработки технических картонов (Р = 26,6 Па, Wp=l,3 кВт, to6p = 5 мин, G = 0,04 г/с, плазмообразующий газ аргон : пропан-бутан = 70 : 30), позволяющие получить материал с гидрофобной и лиофобной поверхностью, с улучшенными физико-механическими показателями.
Экспериментально доказано, что в результате взаимодействия потока высокочастотной плазмы пониженного давления с техническими и обувными картонами происходит выравнивание их свойств в продольном и поперечном направлении, что позволяет экономично использовать готовые листы материала и сократить картонные отходы при вырубании деталей.
Установлено, что воздействие потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления способствует стабилизации линейных размеров листов картонов и вырубленных из него деталей для автомобилестроения и обувной промышленности.
Разработана физическая модель взаимодействия картона с низкотемпературной плазмой пониженного давления.
Практическая ценность работы заключается в следующем: Разработаны картоны, модифицированные плазмой, обладающие новыми улучшенными физико-механическими свойствами: для обувного картона в зависимости от марки повысился предел прочности при растяжении после замачивания в воде на 30-35 %, жесткость при статическом изгибе на 10%, стойкость к истиранию на 55-85 %, при этом относительное удлинение при растяжении в сухом состоянии уменьшилось до 40 %; для технических картонов
9 улучшились: предел прочности при растяжении в сухом виде в машинном направлении увеличился на 15 %, в поперечном направлении на 30 %, линейная деформация картона уменьшилась на 10%, впитываемость воды понизилась на 40 %, бензина на 55 % и масла на 35 %.
Представлена схема технологического процесса производства картона с внедрением предварительной обработки волокнистых компонентов картона и последующей модификации готовых листов материала с помощью низкотемпературной плазмы пониженного давления. Результаты исследований включены в лекционный курс дисциплины «Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности».
На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:
Результаты экспериментальных исследований взаимодействия волокнистых компонентов картона (кожевенные отходы и крафтцеллюлоза) с низкотемпературной плазмой пониженного давления, показывающие, что плазменная обработка способствует улучшению физико-механических свойств готовых листов технических картонов марки МП и обувных картонов марки ЗМ-1, С, СЦМ.
Экспериментальные данные исследований воздействия потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на различных стадиях получения технических картонов (плазменная обработка волокнистых компонентов картона и готовых листов материала), свидетельствующие об увеличении предела прочности при растяжении в сухом виде в машинном направлении на 15 %, в поперечном направлении на 30 %, понижении впитываемое воды на 40 %, бензина на 55 % и масла на 35 %, уменьшении линейной деформации картона
Результаты экспериментальных исследований воздействия ВЧЕ плазменной обработки на различных стадиях получения обувных картонов (плазменная модификация волокнистых компонентов картона и готовых листов материала), приводящего к увеличению предела прочности при растяжении после замачивания в воде на 30-35%, жесткости при статическом изгибе на 10%, стойкость к истиранию на 55-85 % и уменьшению относительного удлинения при растяжении в сухом состоянии на 10 %.
Физическая модель плазменной объемной обработки технических и
10 обувных картонов, устанавливающая закономерности изменений их физико-механических свойств за счет модификации материалов на различных стадиях технологического процесса производства картонов.
5. Технологическая схема производства картонов с использованием предварительной плазменной обработки волокнистых компонентов картона и последующей модификации готовых листов для улучшения физико-механических показателей материала и выравнивания их свойств в продольном и поперечном направлениях.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит: в выборе и обосновании методик экспериментов, непосредственном участии в проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных экспериментальных данных. Полученные в диссертационной работе результаты апробированы в промышленных условиях. Акты об использовании результатов работы представлены в Приложении А.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. В тексте приведены ссылки на 115 литературных источника. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 17 таблиц.
В первой главе дан обзор состояния и перспектив развития производства картонов, применяемых в автомобилестроении и в обувной промышленности. Рассмотрены волокнистые компоненты картона (коллагенсодержащие, целлю-лозосодержащие природные полимеры). Проанализированы традиционные и нетрадиционные методы модификации картонов. Обоснована эффективность воздействия низкотемпературной плазмы пониженного давления на исследуемые материалы с целью улучшения их физико-механических свойств. Сформулированы задачи диссертации.
Во второй главе дано описание ВЧ плазменной установки, объектов исследования, методов и средств исследования свойств картонов и их волокнистых компонентов. В качестве объектов исследования выбраны крафтцеллюло-за и кожевенная стружка, а также технические и обувные картоны, применяемые в автомобилестроении и в обувной промышленности
Входные параметры плазменной установки варьировались в следующих пределах: мощность разряда Wp от 0,7 до 2,5 кВт; давление в рабочей камере Рот 13 до 53 Па; расход плазмообразующего газа (аргон или смесь аргон + пропан-бутан) G = 0,02-0,06 г/с; частота генератора /= 13,56 МГц; продолжительность обработки to6p от 1 до 50 минут.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований изменения физико-механических и структурных свойств модифицированных картонов на базе коллагенсодержащих и целлюлозосодержащих волокнистых компонентов потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления. Проведены исследования физико-механических свойств технических картонов марки МП, а также обувных картонов марки СЦМ, С, ЗМ-1, ЗМ-1 (партия 118 и 186). Исследованы механизмы взаимодействия низкотемпературной плазмы пониженного давления с картонами на базе коллаген- и целлюлозосодержащих полимеров. Установлено, что наиболее существенное улучшение физико-механических свойств волокнистых компонентов картона наблюдается при плазменной обработке в режиме Р = 26,6 Па, G = 0,04 г/с, плазмообразующий газ аргон, время обработки коллагенсодержащих материалов в течение to6p = 5 мин, мощности разряда Wp= 1,8 кВт и целлюлозосодержащих компонентов при t06P = 3 мин и Wp= 1,1 кВт. Оптимальные режимы плазменной обработки технических картонов:/* = 26,6 Па, Wp= 1,3 кВт, t0ep = 5 мин, G = 0,04 г/с, плазмообразующий газ аргон : пропан-бутан = 70 : 30, обувных картонов, в зависимости от марки материала: Р = 26,6 Па, Wp = 0,7-2,1 кВт, расход плазмообразующего газа аргона G - 0,04 г/с, t0op = 3 -И 0 минут. Путем варьирования параметров плазменной обработки получены композиционные материалы, применяемые в автомобилестроении и в обувной промышленности, с заранее заданными улучшенными физико-механическими показателями.
В четвертой главе разработаны рекомендации по модификации технических и обувных картонов с помощью низкотемпературной плазмы пониженного давления и приведены схемы технологической последовательности производства картонов с использованием плазменной обработки волокнистых компонентов картона и готовых листов материала.
Волокнистое сырье, применяемое в производстве картонов
Для получения заданного комплекса физико-механических, гигиенических и эксплутационных свойств волокон очень важное значение имеют выбор исходных волокнообразующих полимеров, обладающих определенной химической структурой, методы превращения этих полимеров в волокна, оптимизация и стабилизация технологического процесса. [51].
В настоящее время накоплен достаточно большой опыт изготовления уплотнительных деталей для автомобилей, а также внутренних и промежуточных деталей низа обуви из искусственных высокомолекулярных материалов. Основу их составляют искусственные волокна, получаемые из высокомолекулярных соединений, встречающихся в природе в готовом виде (целлюлоза, белки) [52].
Волокнообразующие полимеры по своей надмолекулярной структуре относятся к фибриллярным соединениям [53]. От степени ориентации фибрилл в волокне зависят прочность, растяжимость, упругость, пористость, плотность, гигроскопичность, намокаемость волокон [54]. Толстые волокна могут иметь глобулярное расположение фибрилл (то есть фибриллы как бы скатаны в клубки). Этим объясняются значительная пористость и более низкие показатели относительной разрывной нагрузки толстых волокон. Тонкие волокна имеют более ориентированное расположение фибрилл вдоль оси волокна, что приводит к увеличению плотности и прочности волокон [55]. Прочность, удлинение и упругость волокон возрастают при спиральном расположении фибрилл вдоль оси волокна [56,57].
Сегодня большой теоретический и практический интерес представляют вопросы исследования связи физико-механических свойств полимеров с характером и изменением молекулярной структуры в процессе получения и эксплуатации изделий из них [58]. От воздействия факторов внешней среды (например, нагревания, растяжения, сжатия, кручения, плавления) расположение макромолекул в волокне может меняться, вызывая изменение его свойств. Меняя структуру полимеров, можно модифицировать волокна [59, 60].
Коллагеновые и целлюлозные волокна и в первую очередь коллагенсо-держащие и целлюлозосодержащие отходы в настоящее время находят широкое применение в легкой промышленности. Достаточно указать на такие области применения данных волокон и отходов как производство удобрений, кормовых препаратов, применение коллагена с целью изготовления фильтров для сигарет, осветления пива, использование целлюлозных волокон в резинах в качестве наполнителя [61-64], однако изготовление указанных изделий затрудняется сложным технологическим процессом.
Сегодня более успешно коллагенсодержащие и целлюлозосодержащие отходы применяются при производстве искусственной кожи, в том числе картонов. Картон получают проклеиванием волокнистой массы, состоящей из кожевенных или целлюлозных волокон, а также смешением разных видов волокнистого сырья. В качестве сырья применяют древесную целлюлозу, древесную массу, кожевенные отходы, бумажную и картонную макулатуру, хлопчатобумажное и шерстяное тряпье [26-28, 65, 66].
Из всех видов кожевенных отходов промышленное значение имеют два: стружка, получаемая на кожевенных заводах при строгании (выравнивании толщины полуфабриката после дубления), и обрезь, получаемая в виде мелких кусков при отделочных операциях и на обувных фабриках после выкроя деталей обуви [65].
Макулатура и другое вторичное сырье поступают на переработку в виде обрезков от раскроя тканей, бракованных и изношенных изделий [66].
Вид используемых волокон существенно влияет на структуру картонов [67]. Например, повышенная шероховатость поверхности волокон увеличивает прочность их сцепления и улучшает способность смачиваться вследствие большего числа точечных контактов и большей общей пористости системы.
Высокие эксплутационные свойства картонов из кожевенных волокон в настоящее время позволяют использовать их для изготовления деталей низа обуви широкого ассортимента [26].
Состав сырья, используемого в производстве картонов, неоднороден и изменяется в процессе технологических операций: предварительной обработки волокнистого сырья, размола сырья, проклеивания волокнистой массы, отлива, сушки и отделки листов [68]. Влияние качества волокна и условий размола на свойства картонов являлось предметом многих исследований [69, 70].
Авторами [68,71-73] исследованы изменения, происходящие с целлюлозой при размоле. Согласно этим исследованиям, прочность листа зависит главным образом от способности волокон склеиваться друг с другом за счет частичной растворимости целлюлозы и действия «кристаллизующих сил». Отдельные исследователи полагают, что целлюлозное волокно защищено первичной стенкой, которая проницаема для воды, но нерастворима в ней. Эта первичная стенка удаляется в первых стадиях размола, в результате чего обнажаются волокна. Далее вода проникает в капиллярные пространства между мицеллами - происходит набухание целлюлозы. При этом гидроксильные группы, расположенные на поверхности мицелл, притягивают и связывают несколько слоев воды.
Ряд авторов указывают, что в результате размола кожевенные материалы претерпевают значительные изменения в структуре. Волокна укорачиваются по длине и разделяются на продольные элементы (пучки, фибриллы), благодаря чему происходит увеличение внешней поверхности волокна, что играет большую роль в сцеплении волокон между собой [68].
Доказано, что размол различных волокнистых материалов протекает по-разному; это зависит от строения волокна и, главным образом, от строения его вторичной стенки и расположения фибрилл. Чем более наклонно к главной оси волокна в отдельных слоях вторичной стенки расположены фибриллы, тем менее волокно подвержено продольному расщеплению на пучки фибрилл и тем легче оно укорачивается при размоле [74-77].
В работах Грыжниковой Н.С. [78-80] рассматривается влияние размола на изменение химического состава кожевенных волокон. Автором установлено, что изменение химического состава размолотых волокон связано со вскрытием новых поверхностей в структуре кожи при размоле, что облегчает вымывание несвязанных или слабосвязанных комплексных дубящих соединений, наполнителей и других веществ и в свою очередь снижает их содержание в волокнистых материалах после размола. Исследования доказали, что химический состав волокнистых компонентов кожевенных картонов влияет на их свойства. Для стандартизации качества картонов рекомендуется оптимитизировать содержание дубящих веществ в волокнистых компонентах, используя смеси волокон одного или различных видов, включая картонные отходы. В работе [80] проведены исследования химического состава вырубки кожевенной (пять партий) и стружки кожевенной хромовой (четыре партии). Установлено, что кожевенное сырье недостаточно однородно по составу, особенно это относится к содержанию водорастворимых веществ и дубящих соединений, то есть именно тех показателей, которые влияют на процесс проклеивания и свойства кожевенных картонов. Поэтому рекомендуется регулярно проводить контроль перечисленных показателей свойств кожевенных отходов, использующихся в производстве картонов.
В работе [81] показаны целесообразность и универсальность безводного механодиспергирования кожевенных отходов в присутствии адсорбционно-активных добавок с применением экструзионного и роторно-кожевого измельчающего оборудования. Авторами показано, что оптимальными условиями проведения процесса безводной рециклизации отходов жированных и нежирован-ных кож является переработка их в волокнистый наполнитель во влажном состоянии, а отходов с невысокой степенью дубления в муку - после высушивания. Автор [82] рекомендует проводить обработку кожи на силиконовых транспортерах без нарушения пористой структуры. Однако применение нового оборудования, как правило, приводит к повышению себестоимости готового изделия.
На основании выше изложенного можно сделать вывод, что формирование листа картона начинается с подбора волокнистых компонентов материала и с определением их процентного соотношения в рецептуре картона. Поэтому для получения материала с заранее заданными улучшенными свойствами целесообразно проводить модификацию волокнистых компонентов картона на различных стадиях технологического процесса.
Методики проведения исследований характеристик картонов
Образцы для испытаний вырезали из отобранных листов, сохраняя машинное и поперечное направление листа, на участке, расположенном на расстоянии не менее 25 мм от краев. Машинное направление указывали стрелкой. При плазменной обработке образцы размером 210 x297 мм и толщиной 2 мм размещали в зазоре между параллельными вертикально расположенными электродами 2.1 (рис. 2.1) вдоль потока плазмообразующего газа [181]. Обработку образцов проводили следующим образом. Производили предварительную откачку вакуумной камеры. В вакуумную камеру напускали рабочий газ. Регулировкой вентиля, соединяющего вакуумную камеру с вакуумным насосом, устанавливали заданное давление. При подаче на электроды ВЧ напряжения в камере за счет нагрева плазмообразующего газа до состояния плазмы образуется плазменный поток - инструмент обработки. Режим плазменной обработки регулировали путем изменения расхода газа G, мощности ВЧЕ разряда Wp, давления в разрядной камере Р, длительности обработки t0ep [123]. Исследование основных эксплутационных, потребительских и технологических свойств материалов типа картона после обработки их ВЧЕ плазмой пониженного давления проводились стандартными методами. Результаты измерений обрабатывались с применением методов математической статистики. Изучение свойств материалов до и после плазменной обработки проводили с использованием следующих методов исследования и испытаний. Образцы перед испытанием кондиционировали при относительной влажности воздуха (65 ± 5) % и температуре (20 ± 3) С в течение 24 часов. Линейные размеры и конфигурацию прокладок проверяли сравнением их с рабочими чертежами.
Размеры образцов измеряли штангенциркулем, с ценой деления 0,1 мм За результат измерения принимали среднее арифметическое всех размеров, подсчитанное с точностью до первого десятичного знака. Толщину материала измеряли в четырех точках двух смежных сторон листа на расстоянии не менее 25 мм от краев. Толщину прокладок измеряли в трех точках на расстоянии не менее 50 мм друг от друга. Толщину листа материала и прокладок измеряли толщиномером типа ТР25-60Б с ценой деления 0,1 мм и диаметром измерительных поверхностей пятки и наконечника 10 мм. За толщину листа материала и прокладки принимали среднее арифметическое всех размеров, подсчитанное с точностью до первого десятичного знака и с учетом допусков (±0,2 мм). Плотность материала определяли по ГОСТ 9186 [186]. При определении плотности из каждого листа пробы вырезали по два образца размером (50 ± 1) х (50 ± 1) мм. Плотность картона Рк, вычисляли по формуле: где т- масса испытуемого образца картона, кг; hK - толщина испытуемого образца картона, м; 0,4 - переводной коэффициент с учетом приведения массы испытуемых образцов к массе бумаги площадью 1 м . Для определения массы образец взвешивали с погрешностью не более 0,05 г. Толщину образца измеряли в трех точках по одной из диагоналей. За толщину образца картона принимали среднее арифметическое результатов измерения, подсчитанное до второго десятичного знака. За результат испытания плотности принимали среднее арифметическое результатов двух определений, подсчитанное до второго десятичного знака. Относительная погрешность результатов определения плотности не превышает ±8,5%. Предел прочности при растяжении в сухом состоянии и относительное удлинение картона определяли по ГОСТ 13525.1 [187]. Испытанию подвергали по три образца материала в машинном и поперечном направлении от каждого образца картона. Ширина образца (10 ± 1) мм, длина 90-100 мм. Испытания проводили на разрывной машине маятникового типа РТ - 250 - М - 2, позволяющей установить расстояние между клеммами (50 ± 1) мм.
Скорость опускания нижнего зажима должна обеспечить длительность испытания 7 - 10 сек. За результат испытания предела прочности при растяжении в сухом состоянии принимали среднее арифметическое трех параллельных определений для каждого направления. Результат подсчитывали с точностью до первого десятичного знака. При определении предела прочности при растяжении после замачивания в воде обувного картона образцы выдерживали в воде в течение 24 ч при температуре воды (20±2)С. Количество воды должно быть не менее 15-кратной массы образца. Предел прочности при растяжении а, определяли по формуле: где F - разрушающее усилие Н, по шкале разрывной машины в момент разрыва материала; Ъ - ширина образца, м; h - толщина образца, м. Относительная погрешность определения предела прочности при растяжении не превышает ±10%. Относительное удлинение при растяжении , определяли по формуле: где М - среднее арифметическое значение удлинения всех испытуемых образцов, мм; 0 - номинальное расстояние между зажимами. Результаты округляли с точностью до 0,2. Относительная погрешность определения удлинения при растяжении не превышает ±20 %. Впитываемость материала за 6 часов при полном погружении в дистиллированную воду, бензин марки А - 76, минеральное масло марки М - 8 при температуре (20 ± 3) С определяли по ГОСТ 13648.5-78 [188]. Сущность метода заключается в определении увеличения массы образца после выдерживания его в жидкости при полном погружении в заданных условиях. Испытанию подвергали пять образцов размером (100 х 100) ±5 мм. Для определения впитываемости при полном погружении применяли ванну, имеющую держатель для установки образцов в вертикальном положении и обеспечивающую свободный доступ жидкости по всей поверхности образца, гермети-чески закрывающийся сосуд вместимостью не менее 0,2-10 м3 для взвешивания образца, извлеченного из летучей жидкости, два стекла по ГОСТ 111 - 78 размером не менее 200 х 200 мм и толщиной 2-3 мм. Взвешенные по одному образцы помещали в ванну с жидкостью так, чтобы высота жидкости над верхними кромками была не менее 20 мм. Температура жидкости была 20 ± 3С. Образцы выдерживали в жидкости в течение 6 часов. После выдерживания в масле и бензине образцы по одному извлекали с помощью пинцета, давали свободно стечь влаге с образца в течении 3 с. Излишнюю влагу удаляли, поместив каждый образец в отдельности на 60 ± 3 с между двумя листами фильтровальной бумаги и двумя стеклами под груз массой 0,50 ± 0,01 кг. После удерживания в воде образцы по одному извлекали и удерживали их в вертикальном положении, давая стечь с них жидкости в течение 120 с. После стекания избытка воды каждый образец помещали в полиэтиленовый пакет и взвешивали с погрешностью не более 1-Ю"5 кг. Время с момента извлечения образца до окончания взвешивания не должно превышать 120 с.
Экспериментальные исследования влияние потока низкотем-пературнои плазмы пониженного давления на свойства технических картонов
Для технических картонов важными свойствами, определяющими их качество, являются прочность, впитываемость воды, бензина и масла, линейная деформация, влажность, объемный вес и сжимаемость.
В качестве объектов исследования выбран технический картон марки МП (таб. 2.1), применяемый для изготовления уплотнительных автомобильных прокладок. Преимуществом данного материала является стойкость к многократным деформациям, эластичность, прочность, устойчивость к сухому и мокрому трению, однако технический картон обладает неудовлетворительными показателями впитываемости воды, бензина и масла, а так же характеризуется значительными изменениями линейных размеров деталей после вырубания. В связи с этим исследовалась возможность модификации технического картона марки МП с помощью НТП пониженного давления. Эффект воздействия низко температурной плазмы определяется строением обрабатываемого материала и параметрами плазмы.
Взаимодействие рассматриваемых материалов с НТП пониженного давления исследовали на различных стадиях технологического процесса производства картонов: вариант 1 - обработка готовых листов картона (вар. 1) [174, 176, 179, 180], вариант 2 - предварительная плазменная модификация волокнистых компонентов картона с последующей дополнительной обработкой готовых листов материала (вар. 2).
Обработка технических картонов с помощью НТП пониженного давления осуществлялась в следующих режимах: давление Р= 13,3 - 26,6 Па, мощность разряда Wp = 0,7- 2,1 кВт, расход плазмообразующего газа (аргон : пропан-бутан = 70 : 30) G = 0,02 + 0,06 г/с, время обработки образцов to6p = 5 - - 45 мин.
На первом этапе обработки технических картонов установлено, что модификацию картона марки МП целесообразно проводить при Р = 26,6 Па, Wp=\,3 кВт, расход плазмообразующего газа (аргон : пропан-бутан = 70 : 30) G = 0,04 г/с, поэтому в дальнейшем исследования проводили, варьируя время обработки образцов t0 p = 5 + 40 мин. Изучение характеристик модифицированных материалов включало исследование их физико-механических свойств. По физико-механическим показателям технический картон марки МП должен соответствовать нормированным значениям основных характеристик материала (таб. 2.2).
Важным показателем картонов, от которого зависят прочность, жесткость, сопротивление истиранию, масса изделия является толщина материала. Технические картоны изготавливают толщиной от 1 до 4 мм, в зависимости от марки картона и предназначения деталей. На рис. 3. 5 приведены результаты исследования влияния времени плазменной обработки на толщину картона марки МП. Из рисунка видно, что при модификации готовых листов картона марки МП (вар. 1) в течение /0ф = 5 мин идет незначительное увеличение толщины образцов (2,3 %), при предварительной обработки волокнистых компонентов картона и дополнительной модификации готовых листов материала (вар. 2) утолщение технического картона составляет 1 %. В процессе увеличения плазменного воздействия до t06P= 15 мин толщина материала уменьшается при первом варианте обработки на 3 %, при втором варианте - на 2 %. Характер кривых и наличие максимумов и минимумов можно объяснить спецификой воздействия плазмы на капиллярно-пористые материалы. При воздействии на образец НТП пониженного давления в течение to6p = 5 мин на микроскопическом уровне происходят конформацион-ные изменения в структуре волокон, наблюдается разрыхление элементов волокон, а при продолжительности обработки to6p= 15 мин происходит усреднение пор, упорядочивание волокон и их уплотнение. При времени обработки в течение to6P = 40 мин вновь происходит утолщение картона, что связано с увеличением высокоэнергетического и термического воздействия плазмы. При модификации образцов в течение t0sp = 40 мин наблюдаются существенные изменения размеров трещин и углублений, образующихся вдоль оси целлюлозосодер-жащих волокон, это приводит к деструкции волокнистых компонентов картона, что значительно влияет на свойства готовых листов картона.
Для картонов немаловажным показателем является плотность (объемный вес) (таб. 2.2). Объемный вес зависит главным образом от степени уплотнения и характеризует рыхлость картона. Излишнее уплотнение картона может привести к его ломкости, жесткости и ухудшить его формуемость. На рис. 3. 6 представлены результаты исследования влияния времени плазменной обработки на объемный вес картона марки МП. Из графиков видно, что при ВЧЕ плазменной обработке, как в первом, так и во втором вариантах модификации при іф = 5 мин плотность понижается, что связано с разволокнением структуры картона марки МП при обработке его в этом режиме. Далее при обработке в течение іф = 15 мин происходит незначительное увеличение объемного веса картона (3 %), так как модификация картона в этом режиме приводит к структурированию материала. Дальнейшая обработка при to6P = 40 мин приводит к понижению плотности материала, приближаясь к значению объемного веса необработанного образца, что связано с морфологическими изменениями, происходящими в структуре картона при обработке их с помощью НТП пониженного давления. Рис. 3. 6 Зависимость изменения объемного веса картона марки МП от времени обработки при Р = 26,6 Па, Wp=\,3 кВт, расход плазмообразующего газа (аргон : пропан-бутан = 70 : 30) G = 0,04 г/с.
Перед разрубом листов картонов на детали целесообразно определить их влажность, так как влажность картонов существенно влияет на величину их физико-механических показателей. Влажность, вследствие гигроскопичности картонов и в зависимости от влажности окружающей среды, может колебаться в значительных пределах (таб. 2.2).
На рис. 3. 7 представлены результаты исследования влияния времени плазменной обработки на влажность картона марки МП. Значение влажности при обеих вариантах модификации с увеличением времени обработки уменьшается. При продолжительности плазменной обработки в течение (ф = 5 мин при первом варианте модификации влажность картона марки МП составляет 7 %, при втором варианте - 6,5 %, при дальнейшей обработке в течение to6p = 15 мин значения показателя влажности незначительно повышается и остается постоянным несмотря на дальнейшее увеличение времени обработки {to6p = 30-40 мин).
Получение картонов с предварительной плазменной модификацией их волокнистых компонентов и последующей обработкой готовых листов материала
Проведенные исследования показали, что внедрение в технологический процесс изготовление картонов предварительной модификации волокнистых компонентов и последующей обработки готовых листов картона с помощью НТП пониженного давления позволяет значительно улучшить комплекс физико-механических свойств рассматриваемых марок картонов. Это позволяет значительно сократить доли брака в технологическом процессе получения картона и процент некондиционного товара.
Анализ результатов физико-механических показателей исследуемых картонов обработанных НТП пониженного давления выявил, что в ряде режимов при модификации готовых листов картона происходит выравнивание их свойств в продольном и поперечном направлениях (таб. 3.2). Одинаковые свойства обработанных картонов по всей площади листа позволяет вырубать детали обуви и уплотнительные детали для автомобилей в любом направлении, это позволит сократить процент картонных отходов примерно в два раза.
В процессе экспериментальных исследований, установлено, что при предварительной обработке ВЧЕ плазмой пониженного давления целлюлозосо держащих и коллагенсодержащих волокнистых компонентов картона оптимальными являются давление Р - 26,6 Па, расход плазмообразующего газа (аргон) G = 0,04 г/с, мощность разряда Wp = 1,8 кВт и время обработки to6p = 5 мин.
В таблице 4.1 приведены рекомендуемые режимы ВЧЕ плазменной обработки готовых листов технического картона марки МП и обувных картонов марки ЗМ-1, ЗМ-1 (партии 118), ЗМ-1 (партии 186), С, СЦМ обработанных с помощью НТП пониженного давления после окончательной отделки и процесса каландрования.
Модификация технического картона марки МП с помощью ВЧ плазмы пониженного давления (Р = 26,6 Па) в атмосфере смеси аргона и пропан-бутана (G = 0,04 г/с), позволила получить поверхность, обладающую гидрофобными и лиофобными свойствами. Гидрофобность картона оценивали по изменению показателя впитываемости воды, лиофобность по характеру впитываемости бензина и масла от времени обработки. Нормированные значения картонов марки МП, показатели свойств контрольного образца и образца обработанного с помощью НТП пониженного давления Р = 26,6 Па, расхода плазмообразующего газа (аргон: пропан-бутан = 70 : 30) G = 0,04 г/с, представлены в таблице 4. 2. Из таблицы видно, что такие важные показатели для технических картонов как: линейная деформация и сжимаемость уменьшаются на 10 %, как в продольном, так и в поперечном направлениях, впитываемость воды уменьшается на 15 %, а бензина на 40 %. Предел прочности при растяжении в сухом виде в машинном направлении увеличивается на 15 %, а в поперечном направлении увеличивается на 30 %, что свидетельствует о выравнивании свойств картона в обеих направлениях.
Как показали проведенные исследования, обработка поверхности картона в атмосфере аргона и пропан-бутана при Wp, = 1,3 кВт значительно снижает способность поверхности материала к впитываемости, то есть увеличивает гидрофобность и лиофобность готового листа картона. Однако необходимой гидрофобной и лиофобной поверхности технических картонов можно получить только при последовательной модификации сначала волокнистых компонентов картона, а затем готовых листов материала. Это позволяет более успешно ис Анализ обувных картонов марок СЦМ, С, ЗМ-1, ЗМ-1 (партия 118), ЗМ-1 (партия 186) обработанных в ВЧЕ разряде в атмосфере аргона, показал, что в зависимости от режимов плазменной обработки происходит улучшение комплекса физико-механических свойств исследуемых материалов. Показатели физико-механических свойств обувных картонов при первом варианте обработке (предварительная модификация волокнистых компонентов картона и последовательная обработка готовых листов материала) и втором варианте (модификация готовых листов картона) представлены в таблице 4. 3. Из таблицы 4. 3 видно, что предварительная модификация волокнистых компонентов картона и последовательная обработка готовых листов материала позволяют значительно улучшить показатели физико-механических свойств обувных картонов. Так, показатели предела прочности при растяжении картона при втором способе обработки в отличие от первого способа обработки увеличились на 25 %, жесткость на 5 %, относительное удлинение при растяжении в сухом состоянии уменьшается на 25 % и намокаемость снижается на 25 %.
Проведенные испытания подтвердили, что обработка технических и обувных картонов, а также их волокнистых компонентов с помощью НТП пониженного давления позволяет комплексно улучшить физико-механические свойства исследуемых марок картонов. Данный вид модификации готовых листов картона выравнивает их прочностные свойства в машинном и в поперечном направлениях. Это позволяет более экономично использовать полученный материал и сократить долю картонных отходов.
