ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА ИЗМЕНЕНИЕ

УДК 677.494.742.3
Е. А. Сергеева, И. А. Гришанова, Л. Н. Абуталипова,
С. В. Илюшина
ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА ИЗМЕНЕНИЕ МАССЫ
ВЫСОКОМОДУЛЬНЫХ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ВОЛОКОН
Ключевые слова: полимер, филамент, волокно, масса, модификация, плазма, свойство,
деструкция, дисперсия.
Анализируется влияние высокочастотной емкостной плазменной обработки на изменение массы образцов многофиламентных высокомодульных полиэтиленовых волокон марки D800. Установлено, что в исходном состоянии
образцы обладают дисперсией массы по длине волокна. В зависимости от условий обработки и исходного значения массы образцов могут наблюдаться
такие процессы, как выравнивание количества образцов с разной массой по
длине, так и перераспределение массы в большую или меньшую сторону.
Keywords: рolymer, filament, fiber, weight, modification, plasma, property, degradation, dispersion.
Analyzes the impact of high-frequency capacitive plasma treatment on mass
change of samples of high modulus polyethylene multifilament fibers brand D800. Established that in the initial samples have variance of mass along the length of the fiber. Depending on the processing conditions and initial values of the mass of the
samples can occur by processes such as alignment of the samples with different
masses in length, and the redistribution of mass in the up or down.
В последние годы наметились важные изменения в производстве волокон и волокнистых материалов на их основе, которые существенно расширяют возможности получении тканей как технического, так и бытового назначения. Происходят изменения не только
в свойствах и выпуске традиционных видов химических волокон, но и появляются принципиально новые виды волокон и волокнистых материалов на их основе. Основной тенденцией создания новых изделий вместо традиционной последовательности в настоящее
время является следующая «цепочка»: изделие определенного назначения → текстильный
материал (его структура) → волокна (волокнистый состав).
Изменение химического состава, структуры и свойств волокон происходит за счет
различных способов их модификации, в частности, при воздействии излучений высокой
энергии, например, низкотемпературной плазмы высокочастотного емкостного разряда
(ВЧЕ). В настоящее время большая доля выпускаемых химических волокон являются модифицированными [1, 2].
Модифицированные волокна, приобретая новые функциональные свойства, применяются для получения, как однокомпонентных текстильных полотен, так и могут входить
в состав смесовых текстильных материалов. И в том, и в другом случае можно получать
необходимые положительные эффекты модификации, что особенно важно для улучшения
характеристик изделий из синтетических волокон.
Согласно существующим представлениям к физико-химическим эффектам плазменного воздействия относят: образование химических связей между макромолекулами –
187
«сшивание» полимеров, разрыв связей в главных цепях и образование молекул меньшей
длины – деструкция, изменения числа и расположения двойных связей, окисление. В
большинстве случаев все эти реакции могут протекать одновременно и независимо друг от
друга. На свойства полимера наиболее заметное влияние оказывают процессы «сшивания»
и деструкции. По типу преобладающего из этих двух процессов полимеры подразделяются
на «сшивающиеся» и деструктирующиеся [3, 4].
Следует отметить, что в ряде работ акцентируется внимание на изменение под действием плазмы степени кристалличности в поверхностном слое полимера. При этом, как
показано в работе [5], в зависимости от условий обработки могут наблюдаться как аморфизация, так и кристаллизация, а также фазовые переходы в поверхностных слоях.
Данная работа посвящена исследованию влияния низкотемпературной неравновесной плазмы на свойства сверхмодульных полиэтиленовых волокон марки D800 производства Китая. Эти волокна состоят из 210-240 филаментов различного диаметра, колебание
которого наблюдается в диапазоне 17-20 мкм. Для исследований выбраны образцы длиной
(l), равной 15·10-2м, на различных участках исходного волокна. Затем эти образцы группировались по значению массы.
Плазменная обработка волокон осуществлялась на экспериментальной ВЧЕ установке, описанной в работе [2]. Плазмообразующим газом являлся аргон. Модификация
проводилась при следующих входных параметрах ВЧЕ разряда: тип нагрузки – емкостной,
давление (Р) – 26,6 Па, расход плазмообразующего газа (G) – 0,04 г/с, время обработки
(t) – 180 с. Варьировались такие параметры как сила тока на аноде (Ia) от 0,5 до 0,7 А и напряжение на аноде (Ua) от 2,5 до 4,5 кВ.
Результат воздействия ВЧЕ-разряда на исследуемые свойства волокон оценивался с
помощью взвешивания на аналитических весах ВЛ-210 с точностью до 0,0001 г., а измерения проводились в соответствии с нормативно-технической документацией.
Полученные экспериментальные данные представлены на рисунках 1-3.
Гистограмма распределения массы исходных образцов волокон марки D800 одинаковой длины на общей длине, равной 11 м, свидетельствует о значительной дисперсии последней (рис. 1).
Рис. 1 – Гистограмма распределения по массе необработанных образцов волокон D 800
Преобладающими являются образцы с массой 0,0136-0,0143 г. Вероятно, подобный
разброс по массе вызван различной степенью полимеризации на разных участках волокна
и неравномерностью термоориентационного вытягивания при получении многофиламент188
ных волокон, что приводит к разнотолщинности отдельных филаментов и, как следствие,
вызывает колебание массы по длине образца.
Масса образцов после плазменной обработки и выявление зависимости массы образцов от режимов обработки представлены на рисунках 2-3. Гистограммы распределения
образцов с минимальной и максимальной массой и ее изменение при параметрах обработки: значения тока на аноде Ia=0,5 А, значения напряжения на аноде Ua=2,5 кВ представлены на рисунках 2,3.
Рис. 2 – Гистограмма распределения образцов волокон D 800 с минимальной массой
до и после обработки в ВЧЕ-разряде (Iа=0,5 A, Uа=2,5 кВ, t=180 с)
Рис. 3 – Гистограмма распределения образцов волокон D 800 с максимальной массой
до и после обработки в ВЧЕ-разряде (Ia=0,5 A, Uа=2,5 кВ, t=180 с)
На гистограмме распределения массы обработанных волокон с минимальной и максимальной исходной массой наблюдается ее перераспределение в большую или меньшую
сторону и выравнивание количества образцов с разной массой. При этом устойчиво прослеживается закономерность повышения массы образцов после ВЧЕ обработки, имеющих
изначально минимальное значение, а исходные образцы с максимальным значением массы
незначительно ее теряют.
Подобное поведение волокон можно объяснить особенностями их исходной структуры. Образцы с минимальной массой имеют более тонкие филаменты в структуре волокна и, по-видимому, подвергаются более интенсивной плазменной обработке. В результате
такого воздействия преобладающим процессом в поверхностном слое полимера является
189
образование радикалов, которые затем взаимодействуют с кислородом воздуха и возможно
процесс «сшивания», что приводит к увеличению массы.
В образцах полиэтилена с максимальной массой присутствуют филаменты большего диаметра, при плазменной обработке которых в поверхностном слое волокна преобладают процессы травления и, как следствие, наблюдается уменьшение массы.
Таким образом, в зависимости от исходного состояния образцов волокон марки
D800 при плазмолизе может наблюдаться либо процесс, сопровождающийся разрывом
связей, либо процесс «сшивания» макромолекул.
Влияние параметров плазменной обработки на изменение массы представлено в табл.1.
Таблица 1 – Значения массы исходных волокон D800 после обработки в ВЧЕ-разряде
Режимы обработки
Исходная максимальная масса образца, г
Изме- Исходная минимальная Измемасса образца, г
нение
нение
массы,
массы,
До обраПосле об%
%
ботки
работки
I a,
А
Ua,
кВ
t, с
До обработки
После обработки
0,5
4,5
180
0,01397
0,01391
-0,43
0,01340
0,01442
7,6
0,5
2,5
180
0,01394
0,01392
-0,15
0,01333
0,01553
16,5
0,7
4,5
180
0,01402
0,01368
-2,43
0,01333
0,01570
17,7
Из приведенных табличных данных следует, что максимальное изменение массы
образцов как с максимальным, так и с минимальным исходным значением наблюдается в
режиме: ток на аноде Ia=0,7 А, напряжение на аноде Ua=4,5 кВ. При этом образцы с изначально минимальным значением массы могут заметно ее повысить (до 17,7%), а исходные
образцы с максимальной массой незначительно ее теряют (~2,4%). Эти данные позволяют
утверждать, что при варьировании параметров плазменной обработки наблюдаются различные процессы, происходящие в поверхностном слое волокна и, как следствие, изменение исходной массы образцов волокон.
Литература
1. Перепелкин, К. Е. Модификация волокон и текстиля / К. Е. Перепелкин // (http://www.textilepress.ru/print.phpid=959)
2. Сергеева, Е. А. Оптимизация режимов низкотемпературной плазменной обработки высокомодульных полиэтиленовых волокон / Е.А. Сергеева, И. А. Гришанова, С. В. Илюшина // Вестник
Казан. технол. ун-та. – 2010. - №7. - С. 94-98.
3. Гриневич, В. И. Применение низкотемпературной плазмы в химии / В. И. Гриневич, А. И. Максимов; под ред. проф. Л. С. Полака – М.: Наука, 1981. – С. 136-169
4. Василец, В. Н. Исследование накопления стабильных продуктов при воздействии плазмы низкого давления на поверхность полиэтилена / В. Н. Василец, Л. А. Тихомиров, А. Н. Пономарев //
Химия высоких энергий. – 1979. – Т. 13 . – № 2. – С. 171-177
5. Абдуллина, В. Х. Регулирование свойств полиолефиновых волокон и нитей низкотемпературной
плазмой пониженного давления: автореф. дис. … канд. тех. наук: 05.19.01: защищена 24.12.2009:
утв. 9.04.10 / Абдуллина Венера Хайдаровна.- Казань, 2009. - 18 c.
Е. А. Сергеева - канд. хим. наук, доц. каф. менеджмента и предпринимательской деятельности
КГТУ; И. А. Гришанова - канд. техн. наук, доц. каф. моды и технологий КГТУ; Л. Н. Абуталипова – д-р. техн. наук, проф., зав. каф. моды и технологии КГТУ; С. В. Илюшина – асп. каф.
плазмохимических нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, [email protected].
190