Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время синтетические волокна и нити, в том числе полиолефиновые, находят все более широкое применение в производствах текстильной и легкой промышленности.
Нити из ориентированной полипропиленовой (ПП) пленки широко используются для технических и бытовых целей для изготовления упаковочного материала, предназначенного для хранения овощей, фруктов, сахара, зерна и других продуктов, что связано с их высокой прочностью к истиранию, стойкостью к загрязнению и легкостью его устранения. При производстве ПП нитей в состав смеси основного полимера добавляют наполнители (в основном карбонат кальция) с целью удешевления продукции, которые также являются его модификаторами. Но введение таких добавок приводит к ухудшению санитарной обстановки в ткацких цехах, так как свободный карбонат кальция при больших скоростях ткацких станков высвобождается из ПП нитей и оседает, а некоторая часть остается в воздухе. Оседая на ткацкие станки, карбонат кальция выводит их из строя, что также приводит к обрыву нитей при ткачестве. В связи с этим в данной области остаются актуальными задачи улучшения санитарных условий труда и производства ПП нити с повышенными физико-механическими свойствами, конкурентоспособной как по цене, так и по качеству.
Одним из немаловажных свойств полиолефиновых волокон, в частности ПП, следует отметить стойкость к действию микроорганизмов, неподверженность гниению, что позволяет достаточно широко применять их в качестве фильтрующих материалов.
В последние годы все более актуальным становится вопрос о модификации ПП волокон, используемых для изготовления фильтрующих материалов, которые бы обладали не только очищающей способностью, но и антисептическими и ионизирующими свойствами. Одним из перспективных направлений является использование частиц серебра.
Полиолефиновые волокна и нити широко применяются и для технических целей, в особенности при создании армированных композиционных материалов (КМ). Преимуществом данных видов синтетических волокон является их относительная дешевизна и высокие показатели физико-механических и физико-химических характеристик при их малой по сравнению с другими волокнами плотности (меньше единицы). Наибольший интерес для создания сверхлегких высокопрочных КМ проявляется к волокнам из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), обладающим высокими исходными физико-механическими характеристиками.
Как преимуществом, так и недостатком полиолефиновых волокон является их инертность. За счет инертности сцепление волокон с полимерной матрицей в КМ является слабым, что неизбежно приводит к разрушению КМ. В связи с этим, актуальной становится поверхностная активация СВМПЭ волокон, с целью повышения их адгезионной способности к полимерной матрице.
Известны множество традиционных методов химической и физической модификации полиолефиновых волокон и нитей, однако они требуют значительных изменений в технологическом оформлении процессов получения волокон и нитей, а также приводят к повышению себестоимости готовой продукции.
Главной задачей при производстве модифицированных, так называемых волокон третьего поколения, является повышение их конкурентоспособности, как за счет снижения себестоимости волокон и нитей, так и за счет улучшения качественных характеристик, посредством внедрения принципиально новых технологий.
Перспективным направлением для модификации синтетических волокон и нитей является использование высокочастотной (ВЧ) плазменной обработки. Плазменная обработка включает ряд процессов, приводящих к изменению не только физических и физико-химических свойств материалов, но и к изменению химического состава и структуры поверхностного слоя полимера.
Установлено, что в зависимости от состава газа, его давления, напряжения на аноде и природы материала можно менять следующие свойства синтетических волокон и нитей: относительную молекулярную массу, химический состав, микрошероховатость, смачиваемость, прочность.
Плазменная обработка имеет важное преимущество по сравнению с другими способами модификации полимерных материалов – в определенных режимах она не влияет на внутреннее строение, позволяя регулировать заданное свойство, не ухудшая других свойств. Кроме того, обработка неравновесной низкотемпературной плазмой (НТП) является экологически безвредной, высокоэффективной и менее затратной по сравнению с традиционными методами химической и физической модификации полимерных материалов.
Работа направлена на решение актуальной проблемы модификации синтетических волокон и нитей за счет обработки в ВЧ-разряде пониженного давления, позволяющей получать ПП нить с улучшенными физико-механическими свойствами, а также активировать поверхность ПП и СВМПЭ волокон.
Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете в рамках научно-исследовательской работы (НИР) по теме «Разработка новых инновационных технологий и высокоэффективных материалов для производства изделий легкой промышленности» проект №7629 (государственный контракт (ГК) № 5253 р / 7629 от 26 июня 2007 года) при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 г.г.» по теме «Развитие центра коллективного пользования научным оборудованием в области получения и исследования наночастиц оксидов металлов, металлов, полимеров с заданными химическим составом и формой», а также по теме «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области модификации композитных материалов с использованием электрофизических, электрохимических, сверхкритических флюидных методов в центре коллективного пользования научным оборудованием «Наноматериалов и нанотехнологий»».
Цель и задачи работы. Целью работы является создание направленно-модифицированных полиолефиновых волокон и нитей с заданными физико-механическими и поверхностными свойствами за счет применения высокочастотной плазмы пониженного давления.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
проведение анализа существующих способов модификации полиолефиновых волокон и нитей с целью улучшения их поверхностных свойств;
выбор объектов и методов исследования;
получение зависимостей изменения поверхностного натяжения полиолефиновых волокон от основных параметров потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления, исследование физико-механических свойств модифицированных полиолефиновых волокон и нитей после НТП обработки, разработка физической модели взаимодействия полиолефиновых волокон и нитей с низкотемпературной плазмой пониженного давления;
разработка схемы технологического процесса получения полиолефиновых волокон и нитей, модифицированных неравновесной низкотемпературной плазмой пониженного давления, а также конечных продуктов на их основе (ПП мешки, ПП фильтры, КМ)
Методы исследования.
Объектом исследования являлись полипропиленовая пленочная нить, изготовленная предприятием ЗАО «Казанский Текстиль» и полипропиленовые волокна производства ОАО «Химволокно», а также СВМПЭ волокна отечественных и импортных производителей: производства ФГУП «ВНИИСВ» (г.Тверь), Dyneema, производства фирмы DSM (Голландия), Pegasus Hseries Fiber (Китай)
Для установления механизма воздействия потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на поверхностные и физико-механические свойства полиолефиновых волокон и нитей использовали комплекс стандартных и нестандартных методик.
Для изучения структуры и свойств модифицированных образцов волокон и нитей применяли электронно-микроскопические исследования поверхности, методы ИК-спектроскопии и дифференциально-сканирующей калориметрии, термогравиметрический и рентгеноструктурный анализ. Погрешность экспериментальных данных оценивали с помощью методов математической статистики.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что в зависимости от режима плазменного воздействия и вида плазмообразующего газа можно изменять физико-механические (прочность) и поверхностные свойства полиолефиновых волокон и нитей, увеличивая их гидрофильность или придавая гидрофобные свойства.
2. Установлено, что изменение поверхностного натяжения ПП пленочной нити зависит от вида плазмообразующего газа. Наиболее гидрофильной поверхность нити делает использование при плазменной обработке смеси газов аргон – азот.
3. Экспериментально доказано, что в результате взаимодействия потока высокочастотной плазмы пониженного давления с полиолефиновыми волокнами и нитями происходит сшивка молекул на их поверхности.
4. Разработана физическая модель взаимодействия плазмы пониженного давления с поверхностью полиолефиновых материалов.
5. Получены модифицированная полипропиленовая пленочная нить с улучшенными физико-механическими характеристиками, ПП и СВМПЭ волокна с активированной поверхностью за счет НТП обработки.
6. Разработана технология модификации фильтрующих материалов из полипропиленовых волокон наночастицами серебра с применением плазменной обработки.
Практическая значимость работы.
1. Проведена оптимизация режимов плазменного воздействия на полиолефиновые волокна и нити.
2. Установлены параметры плазменной обработки, позволяющие изменять физико-механические и поверхностные свойства (придать гидрофильные и гидрофобные свойства) полиолефиновых волокон. Обработка ПП пленочной нити НТП в режиме Ua = 3,5 кВ, Ja = 0,3 А, G = 0,04 г/с; P = 26,6 Па; = 180 с, плазмообразующий газ аргон – пропан-бутан в соотношении 70% : 30% позволяет повысить прочностные характеристики нити на 15 %.
3. Разработана методика нанесения и закрепления наночастиц серебра на полипропиленовое волокно, используемое для изготовления фильтров для воды. Предварительная обработка ПП волокна в режиме Ua = 3,5 кВ, Ja = 0,4 А, G = 0,04 г/с; P = 26,6 Па; = 240с, плазмообразующий газ аргон, придает гидрофильные свойства ПП волокну с целью впитывания волокном коллоидного раствора наночастиц серебра, после чего проводится повторная обработка ВЧЕ разрядом для закрепления наночастиц серебра на ПП волокне. Данная методика позволяет создать фильтрующий материал с антисептическими свойствами.
4. Установлено, что НТП обработка в режиме Ua =5 кВ, Ja = 0,7 А, G = 0,04 г/с; P = 26,6 Па; = 180 с приводит к повышению адгезии СВМПЭ волокна к полимерной матрице, при этом прочность сцепления обработанного волокна с матрицей возрастает как минимум в 2 раза.
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ЗАО «Казанский Текстиль» и ООО «Полиэтиленпластик» (г. Казань), имеются акты внедрения. При выпуске полипропиленовой пленочной нити на ЗАО «Казанский текстиль» по предлагаемой технологии ожидаемый экономический эффект за счет сокращения расходов на исходное полипропиленовое сырье составит 5.000.000 рублей в год.
На защиту выносятся.
-
Результаты экспериментальных исследований воздействия ВЧЕ плазменной обработки с применением различных плазмообразующих газов на значение краевого угла смачивания поверхности полипропиленовой пленочной нити жидкостями (вода), свидетельствующие об изменении гидрофильных свойств ПП нити и появлении в режиме (Uа = 3,5 кВ, Ja = 0,3 А, G = 0,04 г/с; P = 26,6 Па; = 180 с) гидрофобных свойств.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на физико-механические свойства ПП пленочной нити, полипропиленовых и СВМПЭ волокон.
-
Результаты исследований по модификации ПП волокна наночастицами серебра с применением НТП.
-
Экспериментальные данные воздействия потока плазмы ВЧЕ разряда на поверхностные свойства СВМПЭ волокна.
-
Результаты оценки физико-химического взаимодействия между волокном и матрицей при получении композиционных материалов методом wet-pull-out, который позволяет совмещать оценку взаимодействия полимерной матрицы с многофиламентным волокном при его смачивании материалом матрицы и одновременно измерять полученную прочность соединения между ними.
-
Рекомендации по регулированию свойств полиолефиновых волокон и нитей НТП и получению готовой продукции на их основе (ПП мешки, фильтры, КМ).
-
Технологическая схема изготовления ПП пленочной нити с применением НТП пониженного давления,
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 результатов, в разработке технологического процесса с применением ВЧЕ плазмы пониженного давления улучшающего физико-механические и поверхностные свойства волокон.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на 3-ей, 4-ой и 5-ой международных научно-практических конференциях студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности» (Казань, 2007, 2008, 2009); научной сессии КГТУ (Казань, 2008, 2009); международной научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (Москва, 2008);: 2-ой международной конференции «Молодежь и наука: Реальность и будущее» (Невинномысск, 2009); конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (Волгоград, 2009); 3-ей всероссийской научно-практической конференции «Прикладные аспекты химической технологии полимерных материалов и наносистем: (Полимер-2009)» (Бийск, 2009)
Основные результаты работы изложены в 6 статьях, 2 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 11 публикациях по материалам конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. В тексте приведены ссылки на 149 литературных источника. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 8 таблиц.
