CC BY
34
ВЕСТНИК 9/2012
УДК 676.01
С.В. Федосов, М.В. Таничев, М.В. Акулова, Р.В. Слащёв*, Д.А. Шутов*
ФГБОУ ВПО «ИГАСУ», *ФГБОУ ВПО «ИГХТУ»
ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРОФИЛЬНЫХ СВОЙСТВ ФЛИЗЕЛИНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПАРАМЕТРОВ ЕГО ОБРАБОТКИ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ
Методом дисперсионного анализа результатов дробного факторного эксперимента (латинского квадрата) исследовано влияние тока разряда, давления плазмообразующего газа — воздуха и времени обработки в низкотемпературной плазме постоянного тока тлеющего разряда на водопоглощение, время смачиваемости и капиллярную впитываемость ремонтного флизелина. Ток разряда составлял 20...100 мА, давление 50...200 Па, время обработки 15...120 с. Показано, что влияние тока разряда и давления следует признать незначимым, значимо влияет на процесс улучшения гидрофильных свойств материала время обработки.
Ключевые слова: плазма воздуха, флизелин, улучшение потребительских свойств, дисперсионный анализ, ток, давление, время обработки, капиллярная впитываемость, время смачивания, водопоглощение.
В настоящее время широкое применение в ряде отраслей промышленности находит такой способ модификации свойств материалов, как их обработка в низкотемпературной плазме тлеющего разряда. Преимущества плазмохимического способа обработки заключаются в том, что модификации подвергается лишь поверхностный слой материала без изменения его объемных свойств, что позволяет сохранить прочностные и другие полезные свойства материала. При этом расходуется незначительное количество химических материалов и энергии. Практически не загрязняется окружающая среда [1].
Использование низкотемпературной плазмы тлеющего разряда позволяет улучшать различные свойства материалов, в первую очередь гидрофильные и адгезионные. Если основной задачей плазменной модификации пленочных материалов в химической промышленности является улучшение адгезионных характеристик [2], то для текстильных материалов большое значение имеет изменение гидрофильных свойств (смачиваемости, капиллярности), загрязняемости и т.п. Результаты исследований [3, 4] наглядно свидетельствуют о положительном влиянии низкотемпературной плазмы практически на все гидрофильные свойства текстильных полотен.
Наряду с текстильной и химической промышленностью обработку материалов в тлеющем разряде сравнительно недавно стали применять и в строительной индустрии при производстве фибробетонов. В случае использования органических волокнистых материалов для армирования таких бетонов не всегда может быть обеспечена высокая адгезия армирующих волокон к строительной матрице [5]. Использование низкотемпературных разрядов позволяет устранить данный недостаток [3, 6].
Также была исследована возможность применения низкотемпературной плазмы тлеющего разряда для модификации свойств рулонных стеновых материалов, в частности — флизелина. В [7, 8] показано изменение времени смачиваемости и водопоглощения ремонтного флизелина в зависимости от времени обработки в плазме тлеющего разряда при фиксированных значениях тока разряда (100 мА) и давления плазмообразующего газа (100 Па). Установлено, что увеличение времени обработки образцов материала в низкотемпературной плазме приводит к увеличению его гидрофильных свойств. Поэтому целесообразно будет исследовать изменение данных свойств флизелина в зависимости от времени обработки, тока разряда и давления плазмообразующего газа (воздуха).
В работе использовалась экспериментальная установка, основные составляющие которой показаны на рис. Использовался цилиндрический реактор, выполненный из стекла марки С52-1. Реактор имел диаметр внутренней части 3 см. Образец обрабатываемого материала площадью 28,5 см2 располагался в виде кольца по образующей внутренней части реактора в зоне положительного столба разряда постоянного тока. Температура обрабатываемой поверхности не контролировалась. Система напуска и откачки газа была стандартной. Давление измерялось ^/-образным манометром, а расход газа — капиллярным расходомером, который калибровался методом газовой бюретки при нормальных условиях со стороны напуска газа. Рабочими жидкостями расходомера и манометра являлось силиконовое масло, которое обезгаживалось газовой горелкой до полного прекращения газовыделений при давлении 1 Па. Абсолютная точность измерения давления составляла 5 Па, а расхода газа — 11017 молекул/с (что соотвестсвует линейной скорости потока воздуха 30 см/с).
В качестве объекта исследования использовался ремонтный флизелин (артикул 02065, плотность 65 г/м2). Флизелин представляет собой нетканый материал, состоящей из химически модифицированных и сшитых целлюлозных волокон (С6И1005)и.
Для определения капиллярной впитываемости использовался метод Клемма (ГОСТ 12602—93. Бумага и картон. Определение капиллярной впитываемости. Метод Клемма). Испытуемый образец помещался в ванночку с дистиллированной водой на глубину 1 см, и через 10 мин измерялась высота подъема воды в капилляре образца с точностью до 1 мм.
Для определения водопоглощения из материала вырезались образцы размером 20^47 мм. После обработки образцы взвешивались на аналитических весах, затем помещались в дистиллированную воду на 60 с, после чего проводили взвешивание этих же образцов и вычисляли процент поглощенной образцами воды от их массы в сухом состоянии.
Для определения времени смачиваемости образец флизелина помещался на полый сухой сосуд, где его с помощью дозатора увлажняли каплями дистиллированной воды. Процесс растекания капли фиксировали с помощью цифровой камеры с частотой съемки 30 кадров/с. Время растекания капли (исчезновение ее зеркальной поверхности) замерялось секундомером при просмотре замедленной съемки.
Электроды
ВЕСТНИК
9/2012
Планирование эксперимента использовалось для исследования влияния на капиллярность, водопоглощение и смачиваемость флизелина трех факторов — тока разряда I на уровнях 20, 40, 80 и 100 мА, давления плазмообразующего газа Р на уровнях 50, 100, 150 и 200 Па и времени обработки t на уровнях 15, 45, 90 и 120 с. Для каждого из исследуемых эффектов составлялся «латинский квадрат» 3*3 (табл. 1), для которого проводился дисперсионный анализ в соответствии с [9]. Значимость линейных эффектов проверялась по критерию Фишера для уровня значимости р = 0,05 и чисел степеней свободы сравниваемых дисперсий / = 3 и / = 6: ^095(3, 6) = 4,8. Гипотеза о значимости влияния фактора (I, Р, Г) принималась, если дисперсионные соотношения удовлетворяли выражению:
"Г > (3,6),
^ош
где s2 — дисперсия по фактору; 52ош — дисперсия, обусловленная ошибкой опыта.
Табл. 1. План эксперимента
I, мА P, Pa
50 100 150 200
20 t = 15 c t = 45 c t = 90 c t = 120 c
40 t = 45 c t = 90 c t = 120 c t = 15 c
80 t = 90 c t = 120 c t = 15 c t = 45 c
100 t = 120 c t = 15 c t = 45 c t = 90 c
Отметим, что измерение исследуемых величин проводилось не менее пяти раз для каждого набора факторов, однако при дисперсионном анализе повторные опыты для доказательства линейности модели не использовались. При анализе для каждого набора факторов бралась уже усредненная по результатам 5 параллельных наблюдений величина смачиваемости, капиллярности или водопоглощения.
Результаты и обсуждение. Измеренные величины капиллярной впитываемости, водопоглощения и времени смачивания в соответствии с планом эксперимента приведены в табл. 2, 3 и 4 соответственно. Беглый взгляд на первую колонку и первую строку результатов табл. 2—4 свидетельствует о том, что рост тока разряда вкупе с ростом времени обработки, также как и рост давления в совокупности с увеличением временем экспозиции образцов в плазме приводит к усилению наблюдаемых эффектов, а именно к увеличению капиллярности и водопоглощения и снижению времени смачиваемости.
Табл. 2. Капиллярная впитываемость обработанного в плазме флизелина, мм
P, Pa
50 100 150 200
20 50 79 81 87
40 75 84 86 82
80 81 84 73 85
100 Табл. 3. Водоп 84 эглощение обработ 69 анного в плазме фл 85 изелина, % 82
I, мА P, Pa
50 100 150 200
20 172 171,54 188,83 196,93
40 178,9 192,17 206,23 179,86
80 183,63 203,6 170,56 196,04
100 200,9 166,92 169,84 182,53
2
Табл. 4. Время смачиваемости обработанного в плазме флизелина, с
I, мА P, Pa
50 100 150 200
20 6,9 0,55 0,47 0,57
40 0,64 0,63 0,47 0,96
80 0,66 0,42 1,28 0,78
100 0,39 1,93 0,51 0,49
Результаты дисперсионного анализа экспериментальных данных сведены в табл. 5.
Табл. 5. Сводная таблица дисперсионного анализа
Источник дисперсии Число степеней свободы Дисперсия по г-му фактору s2 Дисперсионное соотношение для г'-го фактора я2/яош
Капиллярная впитываемость
I 3 45,40 1,33
P 3 96,23 2,82
t 3 216,23 6,33
Ошибка 6 34,15
Водопоглощение
I 3 82,72 1,64
P 3 25,89 0,51
t 3 646,36 12,85
Ошибка 6 50,31
Время смачиваемости
I 3 1,86 0,94
P 3 1,97 1,00
t 3 4,94 2,50
Ошибка 6 1,97
Из сравнения полученных дисперсионных соотношений с критерием Фишера для уровня значимости р = 0,05, равного 4,8, следует, что для всех трех исследуемых эффектов факторы влияния тока разряда и давления следует признать незначимыми. Для капиллярной впитываемости и водопоглощения значимым является время обработки, а для времени смачиваемости и время обработки не является значимым фактором. Расположение средних значений капиллярности и водопоглощения в порядке возрастания совпадает с расположением времени обработки в порядке его увеличения от 15 до 120 с. Ранжирование эффектов фактора t с помощью множественного рангового критерия Дункана для оценки значимости различия между временами обработки приведено в табл. 6.
Табл. 6. Значимость различия между максимальным и промежуточными временами обработки
Разность величины эффекта при t = 120 с и t =15, 45, 90 с Значимые ранги критерия Дункана для р = 0,05 и 6 степеней свободы г Ранги, приведенные на нормированную ошибку 1 ^ Г ош V 4 Значимость различия, да/нет
Капиллярная впитываемость
16,75 3,64 10,64 да
4,25 3,58 10,46 нет
3,25 3,46 10,11 нет
Водопоглощение
29,58 3,64 12,91 да
22,835 3,58 12,70 да
15,125 3,46 12,27 да
вестник 9/2012
Наблюдаемые закономерности можно объяснить, используя известные результаты о воздействии низкотемпературной плазмы на полимерные и текстильные материалы. В случае воздействия кислородосодержащей плазмы на органические материалы основной канал как деструкции, так и модификации — это окисление атомарным кислородом [10]. Характерная глубина химической модификации органических материалов, не содержащих пор, в кислородосодержащей плазме составляет величину порядка сотен нанометров. Флизелин представляет собой прессованное целлюлозное волокно, и его поверхность содержит большое число пор, линейные размеры которых соизмеримы или превосходят диаметры отдельных волокон. В связи с этим химически активные частицы плазмы могут взаимодействовать не только с поверхностными волокнами, разрыхляя и химически модифицируя их, но и проникать вглубь материала, взаимодействуя с волокнами, расположенными на удалении от поверхности материала. По-видимому, с ростом времени обработки растет глубина, на которую за счет диффузии проникают активные частицы. Поэтому увеличение времени приводит к увеличению объемной доли модифицированного материала.
Таким образом, на уменьшение времени смачиваемости влияет сам факт воздействия разряда на поверхность флизелина. Для растекания капли воды по поверхности достаточно короткого воздействия разряда на эту поверхность, и время обработки для достижения эффекта увеличения поверхностной смачиваемости некритично. Эффекты водопоглощения и капиллярной смачиваемости определяются не только поверхностью флизелина, но и его объемными свойствами. И в этом случае усиление эффекта достигается за счет увеличения времени обработки вследствие увеличения глубины модифицирования материала.
Проведенное исследование показало, что плазменная обработка улучшает гидрофильные свойства флизелина, позволяющие сократить время пропитки его клеевыми и красящими составами. При этом ток разряда и давление плазмообразующего газа в исследуемых интервалах некритичны как технологические параметры для достижения положительных эффектов при обработке материала. Основной параметр, отвечающий за достижение максимального эффекта, — это время контакта плазмы с материалом.
Библиографический список
1. Максимов А.И. Теория неравновесных процессов технологии электронных приборов. М. : ИХНР РАН, 1984. 306 с.
2. Кутепов А.М., Захаров А.Г., Максимов А.И. Вакуумно-плазменное и плазменно-раствор-ное модифицирование полимерных материалов. М. : Наука, 2004. 496 с.
3. Применение тлеющего разряда в строительной и текстильной промышленности / С.В. Федосов, Б.Н. Мельников, М.В. Акулова, Л.В. Шарнина. Иваново : ИГХТУ, ИГАСУ, 2008. 236 с.
4. Шарнина Л.В. Научные основы и технологии отделки текстильных материалов с использованием низкотемпературной плазмы, новых препаратов и способов колорирования : дисс. ... докт. техн. наук. Иваново, 2006. 335 с.
5. Рабинович Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны. М. : Стройиздат, 1989. 174 с.
6. Елин В.К. Фибробетон, армированный волокнами, модифицированными плазмой тлеющего разряда : дисс. ... канд. техн. наук. Иваново, 2006. 155 с.
7. Исследование влияния низкотемпературной плазмы тлеющего разряда на гидрофильные свойства ремонтного флизелина / С.В. Федосов, М.В. Акулова, М.В. Таничев, Д.А. Шутов // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 63—67.
8. Федосов С.В., Акулова М.В., Таничев М.В. Модификация рулонных стеновых материалов низкотемпературной плазмой тлеющего разряда на примере ремонтного флизелина // Информационная среда вуза : материалы XVIII Междунар. науч.-техн. конф. Иваново, 2011. С. 195—199.
9. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической техно-логиию. М. : Высш. шк., 1978. 319 с.
10. Рыбкин В.В., ТитовВ.А. Кинетика и механизмы взаимодействия окислительной плазмы с полимерами // Энциклопедия низкотемпературной плазмы / под ред. В.Е. Фортова. Серия Б, Т. VIII-1. М. : Янус, 2005. С. 130—170.
Поступила в редакцию в июле 2012 г.
Об авторах: Федосов Сергей Викторович — доктор технических наук, академик РААСН, профессор, и.о. ректора, заведующий кафедрой строительного материаловедения и специальных технологий, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, 8(4932)32-85-40, rector@igasu.ru;
Таничев Максим Владимирович — аспирант кафедры производства строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, maxt_ivanovo@mail.ru;
Акулова Марина Владимировна — доктор технических наук, советник РААСН, профессор, заведующий кафедрой производства строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ИГАСУ»), 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, д. 20, 8(4932)37-34-36, k_psm@igasu.ru;
Слащёв Роман Валерьевич — студент кафедры технологии приборов и материалов электронной техники, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» (ФГБОУ ВПО «ИГХТУ»), 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 7;
Шутов Дмитрий Александрович — доцент кафедры технологии приборов и материалов электронной техники, кандидат химических наук, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» (ФГБОУ ВПО «ИГХТУ»), 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 7, shutov@isuct.ru.
Для цитирования: Дисперсионный анализ изменения гидрофильных свойств флизелина в зависимости от параметров его обработки в тлеющем разряде // С.В. Федосов, М.В. Таничев, М.В. Акулова, Р.В. Слащёв, Д.А. Шутов // Вестник МГСУ 2012. № 9. С. 172—178.
S.V. Fedosov, M.V. Tanichev, M.V. Akulova, R.V. Slashchev, D.A. Shutov
VARIANCE ANALYSIS OF HYDROPHYLIC BEHAVIOUR OF VLIESELINE PERFORMED ON THE BASIS OF PARAMETERS OF ITS EXPOSURE TO THE GLOW DISCHARGE
The subject matter of the article represents summarized findings of the variance analysis of the fractional factorial experiment (the Latin Matrix). The items analyzed collectively by the coauthors include the discharge current, the pressure of the orifice gas, or the air, and the period of exposure to the direct current of the glow discharge. The properties analyzed by the coauthors include the water absorption capacity, the wettability, and the capillary rise of the repair vlieseline. The discharge current range was 20—100 mA, the pressure range was 50—200 Pa and the treatment time range was 15—120. The experiment was conducted according to the Latin matrix method, and the analysis of variance (ANOVA) was used to check the influence of the discharge current, pressure and the treatment time onto the hydrophilic properties of the material. The coauthors have demonstrated that the discharge parameters are an insignificant factor in comparison to the exposure period.
Key words: air discharge, vlieseline, modification, analysis of variance, discharge current, pressure, treatment time, capillarity, wettability, water absorption.
References
1. Maksimov A.I. Teoriya neravnovesnykh protsessov tekhnologii elektronnykh priborov[Nonequilib-rium Processes in Electronic Appliances]. Moscow, IKhNR RAN Publ., 1984, 306 p.
2 Kutepov A.M., Zakharov A.G., Maksimov A.I. Vakuumno-plazmennoe i plazmenno-rastvornoe modifitsirovanie polimernykh materialov [Vacuum-plasma and Liquid-plasma Modification of Polymers]. Moscow, Nauka Publ., 2004, 496 p.
3. Fedosov S.V., Mel'nikov B.N., Akulova M.V., Sharnina L.V. Primenenie tleyushchego razryada v stroitel'noy i tekstil'noy promyshlennosti [Application of the Glow Discharge in the Civil Engineering and Textile Industries]. Ivanovo, IGKhTU Publ., IGASU Publ., 2008, 236 p.
4. Sharnina L.V. Nauchnye osnovy i tekhnologii otdelki tekstil'nykh materialov s ispol'zovaniem niz-kotemperaturnoy plazmy, novykh preparatovi sposobov kolorirovaniya [Fundamentals and Technologies
ВЕСТНИК 9/2012
of Treatment of Textiles by the Low-temperature Plasma, New Preparations and Coloration Techniques]. 2006, 335 p.
5. Rabinovich F.N. Dispersno-armirovannye betony [Fibre-reinforced Concretes]. Moscow, Stroyiz-dat Publ., 1989, 174 p.
6. Elin V.K. Fibrobeton, armirovannyy voloknami, modifitsirovannymi plazmoy tleyushchego razry-ada [Glow Discharge Plasma Modification of the Fibre-reinforced Concrete]. Ivanovo, 2006, 155 p.
7. Fedosov S.V., Akulova M.V., Tanichev M.V., Shutov D.A. Issledovanie vliyaniya nizkotemper-aturnoy plazmy tleyushchego razryada na gidrofil'nye svoystva remontnogo flizelina [Research of the Influence of Low-temperature Glow Discharge Plasma Treatment on Hydrophylic Properties of Vlieseline-based Wallpaper]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no 1, pp. 63—67.
8. Fedosov S.V., Akulova M.V., Tanichev M.V. Modifikatsiya rulonnykh stenovykh materialov niz-kotemperaturnoy plazmoy tleyushchego razryada na primere remontnogo flizelina [Modification of Roll Wallpaper by the Low-temperature Glow Discharge Plasma Exemplified by Repair Vlieseline]. Collected works of the 18th International Conference of Science and Technology "Information Media of the Higher Education". Ivanovo, 2011, pp.195—199.
9. Akhnazarova S.L., Kafarov V.V. Optimizatsiya eksperimenta v khimii i khimicheskoy tekhnologii [Experiment Optimization in Chemistry and Chemical Technology]. Moscow, Vyssh. Shk. Publ., 1978, 319 p.
10. Rybkin V.V., Titov V.A. Kinetika i mekhanizmy vzaimodeystviya okislitel'noy plazmy s polim-erami [Kinetics and Mechanisms of Interaction between Oxidizing Plasma and Polymers]. Entsiklopediya nizkotemperaturnoy plazmy [Low-temperature Plasma Encyclopedia]. Moscow, Yanus Publ., 2005, vol. pp. 130—170.
About the authors: Fedosov Sergey Viktorovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (RAACS), Rector, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering (ISUACE), 20 8ogo Marta St., Ivanovo, 153037, Russian Federation; rector@igasu.ru; +7 (4932) 32-85-40;
Tanichev Maxim Vladimirovich — postgraduate student, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering (ISUACE), 20 8ogo Marta St., Ivanovo, 153037, Russian Federation; maxt_ivanovo@mail.ru; +7 (4932) 42-60-13;
Akulova Marina Vladimirovna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Advisor of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences, Chair, Department of Production of Building Materials, Ivanovo State University of Architecture and Civil Engineering (ISUACE), 20 8ogo Marta St., Ivanovo, 153037, Russian Federation; m_akulova@mail.ru; +7 (4932) 37-34-36;
Slashchev Roman Valerievich — student, Ivanovo State University of Chemistry and Technology (ISTUCT), 7 F. Engels St., Ivanovo, 153000, Russian Federation;
Shutov Dmitriy Alexandrovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Ivanovo State University of Chemistry and Technology (ISTUCT), 7 F. Engels St., Ivanovo, 153000, Russian Federation, shutov@isuct.ru.
For citation: Fedosov S.V., Tanichev M.V., Akulova M.V., Slashchev R.V., Shutov D.A. Dispersionnyy analiz izmeneniya gidrofil'nykh svoystv flizelina v zavisimosti ot parametrov ego obrabotki v tleyushchem razryade [Variance Analysis of Hydrophylic Behaviour of Vlieseline Performed on the Basis of Parameters of Its Exposure to the Glow Discharge]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 9, pp. 172—178.
