Введение к работе
Актуальность темы.
Исследование рынка арамидных волокон выявило тенденцию роста объемов их мирового потребления со стороны государственных корпораций и частных компаний. Это требует совершенствования технологии их изготовления и повышения эксплуатационных свойств. Высокомодульные высокопрочные арамидные волокна хорошо переносят текстильную обработку и являются термостойкими. Однако гидрофильность исходного волокна, склонность к набуханию и сорбции водяных паров привела к внедрению в производство этих волокон хемоемких, энергозатратных стадий замасливания, промывки и нанесения гидрофобизаторов, что может вызвать снижение прочности волокна. В результате гидрофобные волокна имеют низкую адгезию к полимерным матрицам требуют смывки гидрофобизаторов с использованием катион-активных ПАВ, что усложняет технологию получения композиционных материалов (КМ) на их основе.
По сравнению с традиционными методами модификации волокнистых материалов плазменная обработка является более экономичной и экологически безопасной технологией, не приводящей к деструкции материалов. Включение плазменной модификации в технологию получения арамидных волокон, используемых в КМ, позволит придавать волокну гидрофильные свойства, повышать его адгезионную способность, исключив стадии смывания замасливателя и нанесения химических агентов для активации поверхности. Для волокон технического назначения, где требуются гидрофобные свойства и повышенные показатели прочности, включение плазменной модификации позволит исключить стадии промывки волокна и нанесения гидрофобизаторов.
Работа направлена на решение актуальной проблемы модификации арамидных волокнистых материалов путем обработки в ВЧЕ разряде пониженного давления, позволяющей активировать их поверхность, снижать гидрофильность, повышать показатели их механических свойств и получать конструкционные материалы повышенной прочности.
Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском технологическом университете при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (Соглашение № 14.B37.21.0731).
Цель и задачи работы. Целью работы является создание модифицированных арамидных волокнистых материалов и КМ на их основе, путем обработки плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления, обеспечивающей регулирование показателей их физических и механических свойств.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) Проведение анализа современного состояния производства высокопрочных высокомодульных волокон, рассмотрение состава и свойств арамидных волокон, строения и свойств арамидных тканей, изучение существующих методов модификации арамидных волокнистых материалов, видов и составов полимерных связующих, а так же особенностей и сфер применения КМ на основе арамидных волокнистых материалов.
2) Выбор объектов и методик исследования.
3) Получение экспериментальных зависимостей изменения показателей физических и механических свойств арамидных волокнистых материалов, модифицированных плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления, разработка физико-химической модели плазменной модификации арамидных волокон.
4) Разработка схем технологических процессов получения модифицированных арамидных волокнистых материалов и КМ на их основе, с применением плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления.
Методы исследования.
Для измерения показателей физических и механических свойств арамидных волокон использовались стандартные и специальные методики. Для определения степени влияния плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на свойства арамидных волокон использовали метод определения капиллярности (ГОСТ 29104.11-91), метод определения водопоглощения (ГОСТ 3816-81), метод определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве (ГОСТ 10213.2-2002), метод «сидячей» капли для определения краевого угла смачивания, метод wet-pull-out для оценки прочности соединения арамидных волокон с материалом матрицы.
Для изучения влияния плазменной обработки на поверхностные свойства арамидных волокнистых материалов использовали метод многофакторного планирования эксперимента. Обработку результатов экспериментов проводили методом регрессионного анализа. Расчеты производили в программе «Statistica 6.0». Изучение структуры и свойств арамидных волокон проводилось с помощью микроскопических исследований, термического и рентгеноструктурного анализов (РСА), методов инфракрасной (ИК) спектроскопии.
Научная новизна работы.
1) Экспериментально доказано, что модификация арамидных волокнистых материалов в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления в среде аргона приводит к изменению показателей физических свойств материалов, увеличивая капиллярность и смачиваемость их поверхности без ухудшения прочностных характеристик.
2) Установлено, что для улучшения показателей механических свойств арамидного волокна и гидрофобизации поверхности целесообразно проводить его модификацию в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления в смеси газов аргон – пропан-бутан в процентном соотношении 70:30.
3)Установлено, что плазменная модификация ВЧЕ разряда пониженного давления позволяет повысить адгезионную способность арамидных волокон к полимерным матрицам и получать КМ повышенной прочности.
4)Разработана физико-химическая модель процесса плазменной модификации арамидных волокнистых материалов.
5) Установлено, что применение модифицированного плазмой арамидного трикотажного полотна в качестве армирующего наполнителя, по сравнению с традиционными модифицированными арамидными волокнистыми материалами, приводит к повышению физико-механических характеристик КМ.
Практическая значимость работы.
1) Установлены параметры плазменной обработки, позволяющие повысить адгезионную способность арамидных волокон с сохранением или повышением их прочности для марок Русар-С (Wр=2,0 кВт, Р=26,6 Па, t=180 с, G=0,04 г/с, аргон), Русар-НТ (Wр=1,8 кВт, Р=26,6 Па, t=180 с, G=0,04 г/с, аргон), Кевлар (Wр=1,1 кВт, Р=26,6 Па, t=180 с, G=0,04 г/с, аргон). Обработка арамидных волокон Русар-С, Русар-НТ, Кевлар в установленных режимах позволяет увеличить капиллярность волокон до 20 раз; до 3,8 раз, до 1,3 раза соответственно; приводит к повышению смачиваемости волокон эпоксидной смолой до 1,3 раза, до 1,4 раза, до 1,4 раза соответственно; при этом прочность сцепления обработанного волокна с эпоксидной матрицей возрастает до 1,3 раза, до 1,2 раза, до 1,4 раза соответственно.
2) Установлены оптимальные режимы плазменной модификации, позволяющие изменять показатели гидрофильных свойств арамидных волокнистых материалов.
3) Установлены параметры плазменной обработки, позволяющие повысить показатели механических свойств арамидного волокна с уменьшением его капиллярности. Обработка волокон Русар-НТ, Кевлар плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления в режиме Wр=1,1 кВт, Р=26,6 Па, t=180 с, G аргон70% – пропан-бутан30%=0,04 г/с, позволяет повысить их прочность в 1,2 раза и уменьшить капиллярность в 1,8 и 1,7 раза соответственно.
4) Установлено, что использование модифицированного трикотажного полотна в КМ повышает его прочность на растяжение до 1,36 раза, прочность на изгиб до 1,2 раза, на межслоевой сдвиг до 1,16 раза по сравнению с традиционными модифицированными арамидными армирующими материалами.
5) Предложены технологические схемы получения арамидных волокнистых материалов с применением плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления позволяющие получать: а) материалы с повышенной адгезионной способностью без использования ПАВ и химических реагентов (активаторов поверхности); б) материалы с повышенными прочностными свойствами и меньшими показателями гидрофильности, без использования ПАВ и гидрофобизаторов; в) КМ с повышенным физико-механическими характеристиками.
Результаты диссертационной работы испытаны и внедрены на предприятиях ООО «Текстор» (г. Казань), OOO «Химсервис-РТИ» (г. Нижнекамск), имеются акты внедрения. При выпуске опытной партии арамидных волокон, модифицированных по предлагаемой технологии, экономический эффект за счет сокращения расходов на ПАВ и гидрофобизирующие или активирующие агенты составляет более 4 млн. руб. в год.
Основные положения, выносимые на защиту.
1) Результаты экспериментальных исследований воздействия ВЧЕ плазменной обработки на показатели физических свойств арамидного волокна, позволяющей увеличить капиллярность волокон марки Русар-С до 30 раз, волокон марки Русар-НТ до 3,8 раз, волокон марки Кевлар до 1,3 раза.
2) Результаты экспериментальных исследований влияния потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на показатели прочностных свойств арамидного волокна, устанавливающие их сохранение или улучшение при плазменной модификации в различных плазмообразующих газах.
3) Результаты экспериментальных исследований по оценке прочности связи «волокно-матрица», устанавливающие повышение адгезионной прочности соединения арамидного волокна с эпоксидной матрицей для марки Русар-С до 1,3 раза, для марки Русар-НТ до 1,2 раза, для марки Кевлар до 1,4 раза.
4) Физико-химическая модель взаимодействия арамидного волокна с плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления.
5) Технологические схемы получения арамидных волокон с регулируемыми физическими свойствами; с повышенной прочностью и пониженными показателями гидрофильности поверхности. Рекомендации по получению арамидных КМ с использованием плазменной модификации.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит: в выборе и обосновании методик экспериментов; участии в проведении экспериментов; анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов; в разработке технологического процесса получения арамидного волокна с применением плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научной конф. «Плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы» (Казань, 2012), VII International Conference «PLASMA PHYSICS AND PLASMA TECHNOLOGY» (Minsk, 2012), VII Всерос. конф. по физической электронике (Махачкала, 2012),Международной научной конф. «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2012, 2013), VIII и IX международных научно-практ. конф. студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности» (Казань, 2012, 2013), XL международной Звенигородкой конф. по физике плазмы и УТС (Москва, 2013), Международной научно-технич. конф. «Полимерные композиты и трибология» (Гомель, 2013).
Основные результаты работы изложены в 20 публикациях, в том числе 8 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. В тексте приведены ссылки на 155 литературных источника. Работа изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 19 таблиц.
