УДК 681.3 Моделирование процессов получения

УДК 681.3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМОАКТИВИРОВАННЫХ ВОЛОКОН
Сергеева Е. А., Гришанова И. А.
Приведены результаты исследования получения композиционных
материалов
в
результате
модификации
в
потоке
ВЧЕ-разряда.
Установлено, что обработка волокон или ткани ВЧЕ-разрядом повышает
прочность соединения с матрицей в 2-3 раза, что позволяет получать
сверхлегкие высокопрочные композиционные материалы.
Ключевые
слова:
моделирование;
композиционный
материал;
плазмоактивированные волокна; обработка.
В настоящее время во всем мире наблюдается рост производства
композиционных материалов на основе полимерной матрицы и волокнистых
наполнителей. В качестве волокон, используемых в композитах, находят
широкое применение высокопрочные высокомодульные полимерные
волокна или ткань из них.
Для них характерны высокие показатели физико-механических и
физико-химических характеристик при малой по сравнению с другими
волокнами плотности (меньше единицы). Недостатком
высокопрочных
высокомодульных полиэтиленовых (ВВПЭ) волокон является их инертность, в
частности, гидрофобность, вследствие чего между матрицей и наполнителем
не удается создать промежуточный пограничный слой, который бы позволил
удержать между собой соединяемые материалы.
Следует отметить, что проблема обеспечения наивысших значений
адгезионной прочности в КМ актуальна для всех видов адгезивов и
субстратов, поскольку не существует единого подхода к объяснению такого
сложного физико-химического явления, как адгезия. В то же время
постулируется,
результатом
что
весь
проявления
комплекс
адгезионных
межмолекулярного
явлений
взаимодействия,
является
а
его
условием является хорошая смачиваемость волокон и растекание адгезива.
С целью улучшения гидрофильности ВВПЭ волокон актуальной
становится их поверхностная модификация. Из многообразия методов
физической и химической модификации перспективным направлением
является метод высокочастотной емкостной (ВЧЕ) плазменной обработки. В
результате подобной обработки наблюдается изменение физических свойств
материалов, изменение химического состава и структуры поверхностного
слоя полимера. Достоинства плазменной обработки заключаются в том, что
она не влияет на внутреннее строение полимера в определенных режимах и
тем самым не ухудшает другие свойства. Установлено, что в зависимости от
параметров процесса ВЧ обработки, состава газа изменяются такие свойства
синтетических волокон и нитей, как смачиваемость, микрошероховатость
поверхности, прочность, химический состав и относительная масса.
В
качестве
образцов
для
исследований
использованы
многофиламентные ВВПЭ волокна или ткань из них. Обработка волокон
осуществлялась в среде плазмообразующего газа – аргона при варьировании
входных параметров ВЧЕ – разряда, к которым относятся: тип нагрузки –
емкостной, давление Р = 26,6 Па, расход плазмообразующего газа (аргона)
G= 0,04 г/с, время обработки τ=180 с, сила тока (J, А) – 0,3- 0,7, напряжение
(U, кВ) – 3 - 6.
Для исследования гигроскопических свойств СВВМПЭ выбраны методы
определения краевого угла смачивания, времени растекания капли,
капиллярности
и
комплекс
стандартных
методик
оценки
свойств.
Исследования проводились при определенной относительной влажности
воздуха, равной 65%.
Капиллярность оценивалась по ГОСТ 3816 – 81. Определение краевого
угла смачивания проводилось в соответствии с ГОСТ 7934.2. При измерении
равновесного краевого угла смачивания (θ) за результат испытания
принимается среднеарифметическое значение величин угла смачивания
шести капель воды.
Для
контрольного
образца
ткани,
который
не
подвергался
плазменному воздействию, среднее значение угла θ составляет 87,5° (рис.
1а). При нанесении капли на ткань, обработанную в плазме ВЧЕ – разряда,
капля жидкости растекается в тонкую пленку на поверхности ткани (рис.1б).
О влиянии потока ВЧЕ- разряда на гигроскопические свойства образца
ткани судят по времени растекания капли жидкости, экспериментальные
данные которых представлены в таблице.
В зависимости от режимов обработки значения капиллярности для
волокон и ткани изменяются от 6,9см до 10,7см (при J=0,3А, U=3,5кВ и J=0,5А,
U=3,5кВ) и от 19,6см до 27,4см (при J=0,7А, U=3,0кВ и J=0,7А, U=6кВ)
соответственно.
а)
б)
Р и с . 1 . Растекание капли по поверхности до (а) и после (б) обработки в
ВЧЕ-разряде при J=0,3 А, U=3 кВ
Влияние потока плазмы ВЧЕ – разряда пониженного давления
на время растекания капли
Параметры обработки
Время растекания капли
Сила тока, J, А
Напряжение, U, кВ
t, cек
0,30
3,0
7,94
0,70
3,0
8,88
0,30
6,0
11,56
0,70
6,0
7,44
Для получения математической модели, описывающей соотношение
параметров воздействия потока ВЧЕ-разряда пониженного давления на
свойства синтетических волокон использовали центральное композиционное
ротатабельное
планирование
(ЦКРП)
второго
порядка,
позволяющее
получить математическую модель.
Уравнение регрессии второго порядка (1), имеет вид:
y = 71,30 – 94,16х1 – 16,77х2 +87,21х12 + 1,93х22 + 2,33х1х2
(1)
Это уравнение представляет математическое описание поверхности
отклика вблизи области экстремума.
Поверхность отклика и контуры поверхности отклика на плоскости
представлены на рисунках 2 и 3 соответственно.
Р и с . 2 . Высота подъема жидкости по капиллярам ткани из ВВПЭ
волокон в зависимости от входных параметров
Р и с . 3 . Контуры поверхности отклика на плоскость
Приведённые результаты свидетельствуют, что ВВПЭ волокна в
результате модификации в потоке ВЧЕ-разряда приобретают гидрофильные
свойства, при этом с увеличением силы тока и напряжения до
определенного значения капиллярность уменьшается (экстремум лежит при
значениях J=0,48А и U=4,1кВ), с удалением от точки экстремума значение
капиллярности возрастает.
Экспериментально установлено, что обработка волокон или ткани ВЧЕразрядом повышает прочность соединения с матрицей в 2-3 раза, что
позволяет
получать
сверхлегкие
высокопрочные
композиционные
материалы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
Севостьянов А. Г. Методы и средства исследования технологических
процессов в легкой промышленности. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина
2007.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
1.
Казанский государственный технологический университет. Казань,
Россия.