Научная статья на тему 'Исследование изменения свойств поверхности двухслойных мембранных материалов после плазменной обработки'

Исследование изменения свойств поверхности двухслойных мембранных материалов после плазменной обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
188
33
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕМБРАНА / МОРФОЛОГИЯ / ГИДРОФИЛЬНОСТЬ / ПЛАЗМА / ШЕРОХОВАТОСТЬ / КРАЕВОЙ УГОЛ СМАЧИВАНИЯ / МОДИФИКАЦИЯ / ДВУХСЛОЙНЫЙ МЕМБРАННЫЙ МАТЕРИАЛ / MEMBRANE / MORPHOLOGY / HYDROPHILICITY / PLASMA / SURFACE ROUGHNESS / CONTACT ANGLE / MODIFICATION / TWO-LAYER MEMBRANE MATERIAL

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Вишневская О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В.

В статье рассмотрено влияние плазменной модификации на свойства поверхности двухслойных мембранных материалов. В результате анализа влияния неравновесной низкотемпературной плазмы на параметры шероховатости и краевого угла смачиваемости материалов с мембранным покрытием установлено, что с уменьшением шероховатости происходит уменьшение краевого угла смачиваемости, что свидетельствует о гидрофилизации поверхности беспористого мембранного покрытия.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Вишневская О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Исследование изменения свойств поверхности двухслойных мембранных материалов после плазменной обработки»

УДК 687.023:678.7

И. Ш. Абдуллин, Р. Г. Ибрагимов, О. В. Вишневская, В. В. Вишневский, Н. В. Осипов, В. Е. Горелышева

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ДВУХСЛОЙНЫХ

МЕМБРАННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОСЛЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

Ключевые слова: мембрана, морфология, гидрофильность, плазма, шероховатость, краевой угол смачивания, модификация,

двухслойный мембранный материал.

В статье рассмотрено влияние плазменной модификации на свойства поверхности двухслойных мембранных материалов. В результате анализа влияния неравновесной низкотемпературной плазмы на параметры шероховатости и краевого угла смачиваемости материалов с мембранным покрытием установлено, что с уменьшением шероховатости происходит уменьшение краевого угла смачиваемости, что свидетельствует о гид-рофилизации поверхности беспористого мембранного покрытия.

Keywords: membrane, morphology, hydrophilicity, plasma, surface roughness, contact angle, modification, two-layer membrane

material.

The article considers the influence of the plasma treatment on the surface properties of two-layer membrane materials. An analysis of the influence of the nonequilibrium low-temperature plasma parameters on the roughness and the contact angle of the wettability of materials coated with a membrane found that with decreasing roughness is decreased wetting angle, indicating the hydrophilizing surface-porous membrane coating.

Сегодня уже трудно представить себе одежду для активного отдыха без материалов с мембранным покрытием. Одежда из таких материалов стала популярной благодаря своей многофункциональности. Известно, что принцип действия таких материалов зависит от структуры и свойств мембраны, входящей в состав этого материала.

Пористая гидрофобная мембрана имеет размер пор 2-3 мкм, что намного меньше, чем самые маленькие капли дождя (100 мкм), однако намного больше, чем молекула пара (40 х10-6 мкм). Таким образом, пар под действием разницы термодинамических потенциалов по обе стороны мембраны проходит через нее не встречая непроницаемых преград. Вода в жидкой фазе (дождь) вследствие несмачивания гидрофобной поверхности пор может пройти (быть продавленной) через мембрану только под действием определенного давления. Материалы с пористыми гидрофобными мембранами обладают высокими показателями водоупорности и паропро-ницаемости [1]. Однако, из-за особенности структуры поры быстро загрязняются, что приводит к протеканию одежды. Иногда на материал с пористой гидрофобной мембраной наносят гидрофильную мембрану, чтобы повысить водоупорность.

Процесс диффузии газов и пара через непористую полимерную мембрану протекает в несколько стадий. Газ первоначально поглощается внешней поверхностью полимера. Концентрация газа на поверхности прямо пропорциональна его давлению. Газ мигрирует к противоположной поверхности под действием градиента концентрации. Скорость миграции молекул воды пропорциональна гидрофиль-ности полимера - сорбционной емкости по воде, которая обусловлена химической реакцией между молекулой воды и монолитной пленкой полимера. Макромолекулы полимера мембраны состоят из атомов углерода, водорода, и кислорода соединенных в длинные молекулярные цепи. Положительные и отрицательные заряды возникают в различных

точках, способных образовать слабые связи с молекулами воды, которые могут быть замещены другими молекулами воды, что в целом приводит к проницанию воды через мембрану. Материалы с непористыми гидрофильными мембранами обладают высокими прочностью, водоупорностью и паропро-ницаемостью. Однако, максимальную паропрони-цаемость данные материалы достигают достаточно медленно [2].

Гидрофильные свойства материалов с непористым покрытием определяются структурой и свойствами поверхности мембраны. Для определения гид-рофильности материалов существуют различные методики и оборудование, моделирующие условия, которым материал может быть подвергнут при использовании. Определение краевого угла смачивания является одной из данных методик. Как известно, смачиваемость различных материалов определяется показателем краевого угла смачивания и временем, за которое растекается капля жидкости на поверхности материала. Смачиваемость регулируется свободной поверхностной энергией и структурой. То есть, свойства поверхности можно регулировать, изменяя один из этих факторов. Например, свойство поверхности, такое как высокая гидрофильность, может быть достигнуто путем уменьшения шероховатости поверхности и повышением поверхностной свободной энергией.

Шероховатость поверхности оказывает влияние на смачиваемость, которое описывают термодинамическая и кинетическая теории. Согласно кинетической теории, высокая шероховатость останавливает процесс растекания жидкости и влияет на краевой угол смачивания. Термодинамическая теория объясняет, как рельеф увеличивает реальную поверхность в отличие от идеально гладкой [3].

Для повышения гидрофильности материалов с непористым мембранным покрытием и уменьшения шероховатости использовалась неравновесная низкотемпературная плазма (ННТП).

Целью данной работы является исследование влияния ННТП на шероховатость и краевой угол смачивания материалов с непористым гидрофильным покрытием.

Объектами исследования были выбраны ткани с покрытиями: ткань из полиэстера с мембранным покрытием из полиуретана (ПУ) «Алова» [4-7], ткани плащевые из полиэстера «Климат 3» и «Климат 3+» с мембранным покрытием из ПУ.

Эксперименты выполнялись на плазменной ВЧЕ установке пониженного давления, схема которой представлена в работе [8]. Параметры установки при экспериментальных исследованиях: расход газ (G) 0,08г/с, давление газа (Р) 26,6 Па, напряжение (U) 2,5-3,5 кВт, время обработки (т) 3- 5 минут, частота генератора 13,56 МГц. Обработка проходила в среде плазмообразующего газа - аргона.

Шероховатость определяли на сканирующем электронном 3D микроскопе LEXT 4000 (СЭМ). Обработка полученных данных заключалась в анализе параметров шероховатости поверхности, а именно: Ra — средняя арифметическая шероховатость, Rq — средняя квадратичная шероховатость, Rz — шероховатость поверхности по выбранным десяти максимальным высотам и впадинам [9].

Краевой угол смачивания определялся статическим методом сидящей капли с помощью прибора Kruss Easy Drop DSA 20E. На предметный столик мембранным покрытием вверх закреплялся материал. На поверхность мембраны шприцом-дозатором наносили одинаковое количество жидкости (воды). Видеокамера прибора фиксировала изображение капли на компьютер и с помощью программного обеспечения Э5А1, рассчитывался краевой угол смачивания. Эксперимент повторяли не менее 5 раз для воспроизводимости полученных данных с погрешностью не более ±0,1°.

Изменение параметров шероховатости двухслойных мембранных материалов до и после обработки в ННТП представлены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что уменьшение шероховатости каждого двухслойного мембранного материала зависит от определенных параметров обработки в ННТП.

Морфология поверхности мембраны во многом зависит от ткани, на которую она нанесена. Так, мембрана «Алова» нанесена на флис («валяный» полиэстер), который имеет достаточно развитую поверхность и соответственно высокие параметры шероховатости (табл. 1). Плащевые материалы «Климат 3» и «Климат 3+» состоят из полиэстерово-го полотна, поверхность которых характеризуется низкой шероховатостью.

После обработки материалов ННТП, средняя арифметическая шероховатость Ra материала с мембранным покрытием «Алова» максимально уменьшилась на 40,4% в режиме U=2,5 кВ, t= 3 мин, газ аргон; у плащевого материала «Климат 3+» не изменилась.

Значения средней арифметической шероховатости Ra плащевого материала «Климат 3» увеличивались с увеличением времени обработки (рис. 1,2). Причина такого разброса значений шероховатости связана с изготовлением материала, при его иссле-

довании с помощью СЭМ, было выявлено достаточно много артефактов и мелких частиц между материалом и мембранным покрытием.

Таблица 1 - Значения параметров шероховатости двухслойных мембранных материалов до и после обработки ННТП

Материал Образец Параметры шероховатости

Rz, мкм Ra, мкм R^ мкм

Материал «Алова» Без модификации 0,146 0,033 0,043

Модифицированный* 0,084 0,020 0,025

Материал «Климат 3» Без модификации 0,063 0,014 0,018

Модифицированный** 0,066 0,018 0,022

Материал «Климат 3+» Без модификации 0,098 0,023 0,029

Модифицированный*** 0,090 0,023 0,028

* Режим обработки ННТП: и=2,5 кВ, 1= 3 мин, газ аргон; ** Режим обработки ННТП: и=3,5 кВ, 1= 3 мин, газ аргон; ***Режим обработки ННТП: и=3,5 кВ, 1= 5 мин, газ аргон.

К . мкм

3 3.5 4 -..=■

Рис. 1 - Изменение средней арифметической шероховатости Яа материалов с мембранным покрытием в зависимости от времени обработки ННТП при и=2,5 кВ, газ аргон

л пси г

J 5.5 4 4.5

Рис. 2 - Изменение средней арифметической шероховатости Яа материалов с мембранным покрытием в зависимости от времени обработки ННТП при и=3,5 кВ, газ аргон

Мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия является поверхностное натяжение на границе раздела вещества и воды, то есть чем больше гидрофильность вещества, тем ниже поверхностное натяжение. Анализ значений краевого угла

смачивания материалов показал, что при нанесении капли на материалы, обработанные в ННТП, капля воды растекается, угол смачивания уменьшился, что свидетельствует о гидрофилизации поверхности. Изменение значений краевого угла смачивания двухслойных мембранных материалов до и после обработки в различных режимах ННТП, представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения краевого угла смачивания двухслойных мембранных материалов до и после обработки в ННТП

Материал Образец Краевой угол смачивания (9), град.

«Алова» Без модификации 76,2

Модифицированный* 64,5

Плащевый материал «Климат 3» Без модификации 63,2

Модифицированный** 62,1

Плащевый материал «Климат 3+» Без модификации 60,4

Модифицированный*** 59,3

* Режим обработки ННТП: и=2,5 кВ, 1= 5 мин, газ аргон; ** Режим обработки ННТП: и=2,5 кВ, 1= 3 мин, газ аргон; ***Режим обработки ННТП: и=3,5 кВ, 1= 3 мин, газ аргон.

Полученные экспериментальные результаты показывают, что обработка в плазме приводит к уменьшению краевого угла смачивания исследуемых материалов с покрытием «Алова» на 16,4%, плащевого материала «Климат 3» на 1,8%, плащевого материала «Климат 3+» на 1,9% соответственно. Изменение свойств в поверхностном слое мембранного покрытия происходит за счет ионной бомбардировки поверхности, разрыву надмолекулярных Ван-дер-Ваальсовых связей и образованию новых водородных связей.

В результате исследования влияния плазмы на поверхность материалов с мембранным покрытием было выявлено, что благодаря плазменной модификации появилась возможность получать материалы с повышенными гидрофильными свойствами, что позволяет улучшить гигиенические свойства материалов.

Литература

1. Mayer W., Mohr U., Schrierer M. High-tech Textiles: Contribution made by Finishing, in an Example of Functional Sports and Leisurewear/ W. Mayer, U. Mohr, M. Schrierer // International Textile Bulletin. 1989. № 35(2), Р. 16-32.

2. Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В. Ткани с мембранным покрытием / И.Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, О.В. Зайцева,

B.В. Вишневский, Н.В. Осипов // Дизайн. Материалы. Технология. 2014. №5 (35). С 25-29.

3. Сумм Б.Д. Гистерезис смачивания/ Б.Д. Сумм// Соро-совский образовательный журнал. - 1999. - №7. - С. 100-103.

4. Абдуллин И.Ш., Нефедьев Е.С., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В. Регулирование эксплуатационных свойств тканей с мембранным покрытием / И.Ш. Абдуллин, Е.С. Нефедьев, Р.Г. Ибрагимов, О.В. Зайцева, В.В. Вишневский, Н.В. Осипов // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 12.С. 34-36.

5. Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В. Современные ткани с мембранным покрытием/ И. Ш. Абдуллин, Р.Г. Ибрагимов, О.В. Зайцева, В.В. Вишневский, Н.В. Осипов// Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 12.

C. 37-41.

6. Абдуллин И.Ш., Нефедьев Е.С., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В., Ахметшина Л.Р. Характеристика распределения пор по размерам в тканях с мембранным покрытием газодинамическим методом/ И.Ш. Абдуллин, Е.С. Нефедьев, Р.Г. Ибрагимов, О.В. Зайцева, В.В. Вишневский, Н.В. Осипов, Л.Р. Ах-метшина // Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 12.С. 45-48.

7. Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Вишневская О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В. Повышение прочности материалов с мембранным покрытием с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы/ И. Ш. Абдул-лин, Р.Г. Ибрагимов, О.В. Вишневская, В.В. Вишневский, Н.В. Осипов// Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 16.С. 46-48.

8. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Кашапов Н.Ф. Высокочастотная плазменно - струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения. - Казань: Изд - во Казан. ун -та, 2000. -348 с.

9. Зайченко Н.А., Васильева В.И., Григорчук О.В., Греч-кина М.В., Богатиков Е. В. Анализ микрорельефа и шероховатости поверхности ионообменнных мембран методом атомно-силовой микроскопии/ Н.А. Зайченко, В.И. Васильева, О.В. Григорчук, М.В. Гречкина, Е.В. Богатиков // Вестник ВГУ, Серия: Химия. Биология. Фармация. - 2009. № 1. С. 5-14.

© И. Ш. Абдуллин, д.т.н., профессор, КНИТУ, abdullin_i@ks1u.ru; Р. Г. Ибрагимов, к.т.н. доцент кафедры ТОМЛП КНИТУ, modif@inbox.ru; О. В. Вишневская, асп. каф. ПНТВМ КНИТУ, olesya-zef@yandex.ru; В. В. Вишневский, магистр той же кафедры; Н. В. Осипов, магистр той же кафедры; В. Е. Горелышева, бакалавр той же кафедры.

© I. Sh. Abdullin, professor, KNRTU, abdullin_i@kstu.ru; R. G. Ibragimov, Ph.D. associate professor the department of TEMLI KNRTU, modif@inbox.ru; O. V. Vishnevskaya, postgraduate student the department PNTMC KNRTU, olesya-zef@yandex.ru; V. V. Vishnevskiy, magister group 435-M3, the department PNTMC KNRTU; N. V. Osipov, magister group 435-M3, the department PNTMC KNRTU; V. E. Gorelysheva, bachelor in PNTMC KNRTU.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.