CC BY
14
УДК 677.021.125
И. А. Гришанова, И. Ш. Абдуллин
ИССЛЕДОВАНИЕ КАПИЛЛЯРНОГО ПОДЪЕМА ЖИДКОСТИ
В КРУЧЕНЫХ ВЫСОКОМОДУЛЬНЫХ ВОЛОКНАХ,
МОДИФИЦИРОВАННЫХ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ
Ключевые слова синтетическое волокно, крутка, модификация, низкотемпературный газовый разряд, капилляры,
смачиваемость, пропитка.
В представленной работе рассмотрено влияние низкоэнергетического воздействия на капиллярный подъем деионизованной воды до и после процесса кручения мультифиламентных непрерывных сверхмодульных полиэтиленовых волокон. Полученные данные свидетельствуют о возможности управления процессом впитывания синтетических текстильных крученых мультифиламентных волокон.
Keywords: structure, pores, capillaries, wetting, impregnation, textiles, filament, fiber, polyethylene- (HMW-HDPE).
In the present study we examined the effect of low exposure to the capillary rise of deionized water before and after torsion multifilament continuous HMW-HDPE fibers. The findings suggest the possibility of process control absorption of synthetic textile twisted multifilament fibers.
Введение
Физико-химическое модифицирование
поверхности волокнообразующих полимеров в низкотемпературном газовом разряде в настоящее время рассматривается как перспективный процесс современной технологии. Одно из основных назначений данного процесса - это уменьшение краевого угла смачивания на границе раздела жидкость - твердое тело.
В ранее опубликованных работах [1-3] описаны процессы поверхностной физико-химической модификации высокомодульных полиэтиленовых волокон в виде непрерывного мультифиламентного пучка, содержащего от 450 до 950 филаментов в различных газоразрядных средах. При этом установлено, что в результате низкотемпературной газоразрядной обработки в средах аргона, аргон -азота, аргон - воздуха происходят гидрофилизации поверхности сверхмодульных полиэтиленовых волокон, которым в исходном состоянии. присущи гидрофобные свойства Полученные данные позволили авторам [4,5] заключить, что в поверхностном нанослое волокон наблюдаются изменения химического состава (формирование функциональных групп) и его структуры, при этом возникновение надмолекулярной структуры на поверхности волокон зависит от условий осуществления низкотемпературного газового разряда.
В данной работе исследуются особенности процесса модификации синтетических
непрерывных высокомодульных
мультифиламентных волокон различной степени крутки и ее влияние на их свойства до и после модификации в низкотемпературной
газоразрядной среде. Актуальность данной задачи связана с большим интересом к разработке материалов с регулируемыми транспортными средствами, получение которых возможно, в частности, за счет модификации последних
Объекты и методы исследования
В качестве объекта исследования выбраны химически модифицированные (гидрофильные) непрерывные мультифиламентные сверх -модульные полиэтиленовые волокна с числом филаментов 1000 единиц. Подобные волокна представляют большой практический интерес для получения армированных волокнистых
полимерных композитов с повышенными физико-механическими характеристиками.
В свою очередь для получения армированных композиционных материалов с хорошей адгезионной прочностью необходимо уменьшить коэффициент поверхностного натяжения волокон полимерной матрицей. В связи с этим изучение состояния волокон (крутки и модификации в среде низкотемпературного газового разряда) и его влияния на адгезионную способность представляет определенный интерес.
Обработка химически модифицированных полиэтиленовых волокон проводилась в среде аргона высокочастотного емкостного разряда при следующих параметрах: давление газа - 13,3 Па, мощность разряда - от 1,05 до 2,5кВт, частота генератора - 1,76 МГц. Продолжительность обработки изменялась от 60 сек. до 180 сек. Устройство газоразрядного реактора описано ранее в работе [5].
На лабораторном круткомере марки КУ-500 получены непрерывные мультифиламентные полиэтиленовые волокна с величиной крутки от 40 до 280 кр/м.
Исследование капиллярного подъема деионизованной воды в модифицированных и крученых волокнах проводилось в соответствии с ГОСТ 29104.11-91. За значение высоты подъема жидкости (Н) по капиллярам принималось среднее значение результатов не менее девяти измерений с погрешностью не более 1 мм.
Экспериментальные исследования изменений, происходящих в надмолекулярной структуре
опытных образцов при воздействии процесса кручения и низкотемпературного газового разряда, проводили методом Фурье-ИК-спектроскопии на автоматическом спектрометре Termo Nikolet iS-10 методом однократного нарушенного полного внутреннего отражения с использованием кристалла ZnSe при 2960К.
Результаты исследования и их обсуждение
Изменения капиллярного подъема
деионизованной воды исследованы в зависимости от продолжительности обработки сверхмодульных непрерывных полиэтиленовых волокон и мощности низкотемпературного газового разряда.
Исследования проводились на предварительно крученых с последующей модификацией и подвергнутых крутке после модификации волокнах.
Экспериментально полученные данные свидетельствуют, что при модификации
предварительно крученых волокон максимальная величина капиллярного подъема деионизованной воды возрастает в среднем на 49,1% при величине крутки, равной 120кр/м. При противоположном порядке обработки волокон значение
капиллярного подъема увеличивается на 14,8% при крутке, равной 80кр/м при тех же условиях модификации.
Кривые зависимости влияния величины крутки с последующей различной продолжительностью процесса модификации в низкотемпературной газоразрядной среде и предварительная модификация с последующей круткой нити представлены на рис.1 ( а, б).
Представленные зависимости имеют экстремум при величине крутки - 40 кр/м независимо от порядка и продолжительности процесса модификации при постоянной мощности разряда (1,75кВт). При этом капиллярный подъем деионизованной воды в волокнах изменяется от 43,6% до 59,1% при изменении времени обработки от 60 до 180 сек. Модификация волокон с последующим кручением изменяет величину капиллярного подъема жидкости в волокнах от 9,2% до 19,2% при различной длительности процесса. Максимальная капиллярность наблюдается для крученых сверхмодульных полиэтиленовых волокон до и после процесса модификации в низкотемпературной газоразрядной среде при длительности процесса - 180 сек.
Влияние величины мощности
низкотемпературной газоразрядной модификации при выполнении процесса кручения до и после модификации исследуемых волокон при постоянной продолжительности процесса (180 с) представлено на рис. 2 (а, б). Аналогично предыдущей зависимости наибольший
капиллярный подъем жидкости происходит при величине крутки волокон, равной 40кр/м, и длительности процесса - 180сек, вне зависимости от величины мощности газоразрядного процесса. Максимальный капиллярный подъем жидкости, как и в предыдущем случае, происходит на крученых
волокнах с последующим модифицированием в низкотемпературной газоразрядной среде (на 66,2% и 24,6% соответственно) при длительности процесса 180 с.
0 iO 30 120 1М 200 240 230 П К[УИ
а
Рис. 1 - Зависимость капиллярного подъема деионизованной воды от величины крутки сверхмодульных полиэтиленовых волокон до (а) и после (б) низкотемпературной газоразрядной модификации при постоянной мощности разряда (1,75кВт) и различной длительности процесса (1- 60с; 2- 120с; 3- 180с)
Анализ результатов Фурье-ИК спектроскопии образцов крученых сверхмодульных
мультифиламентных полиэтиленовых волокон до процесса модификации позволяет заключить, что в зависимости от степени крутки наблюдается различная степень конформационных превращений (от 4% до 8%) в полимере. При этом, по-видимому, в результате механоинициирования и теплового воздействия при трении волокон в процессе кручения возникают также макрорадикалы, которые участвуют в дальнейших превращениях. Подобные предположения хорошо согласуются с данными работ [6,7], выполненными на традиционном полиэтилене.
Последующее газоразрядное облучение волокон вызывает дополнительные превращения в структуре высокомодульных волокон (до 27,4%) и разрыв химических связей, который подтвержден
данными работ [4,6- 8]. Авторами обнаружено, что механическое воздействие на полимеры сопровождается различными физическими явлениями, в частности, электронной эмиссией, изменением ИК-спектров и т.д.
Рис. 2 - Зависимость капиллярного подъема деионизованной воды от величины крутки сверхмодульных полиэтиленовых волоком до (а) и после (б) низкотемпературной газоразрядной модификации при постоянной длительности процесса (180с) и различной мощности разряда (1- 2,50 кВт; 2- 1,75 кВт; 3- 1,05 кВт)
Увеличение полярности поверхности волокон также способствует капиллярному впитыванию деионизованной воды.
Влияние мощности низкотемпературного газового разряда при постоянной продолжительности процесса, практически, незначительно (рис.2б).
Таким образом установлены оптимальные параметры процесса кручения и обработки в низкотемпературном разряде в среде аргона, позволяющие повысить гидрофильность непрерывных высокомодульных
мультифиламентных полиэтиленовых волокон, а следовательно и адгезионную прочность в композите.
Авторы выражают благодарность к.х.н., доценту кафедры ТСК ФГБУ ВПО КНИТУ Д. В. Бескровному за проведенные исследования волокон методом Фурье-ИК спектроскопии.
Литература
1. И.Ш. Абдуллин., В.С. Желтухин., Н.Ф. Кашапов, Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения: Из-во Каз. гос. технол. ун-та, Казань, 2000, 420 с.
2. И.А. Г. Казань Гришанова, О.С. Мигачева. Междун. н/технич. конф. « .Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лен-2014)» (Кострома, КГТУ, Октябрь, 42-43, 2014)
3. И.А. Гришанова, Е.А. Сергеева, С.В.Илюшина. В сб. Новые технологии и материалы легкой промышленности. Казан. гос. технол.. ун-т., Казань, 2010. С.139-141.
4. Е.А. Сергеева, Н.В. Корнеева, Л.А. Зенитова, И.Ш. Абдуллин. Модификация синтетических волокнистых материалов и изделий неравновесной низкотемпературной плазмой: монография. Ч.2. Казань.: КГТУ, 2011, 256с.
5 И. А.Гришанова, О. С. Мигачева, В сб. «Физика низкотемпературной плазмы» ФНТП-2014. Т. 2. КНИТУ, Казань, 2014. С.291.
6.Н.К.Барамбай Механохимия высокомолекулярных соединений.. «Химия», Москва, 1971, 363с.
7. С.Мидзусима. Строение молекул и внутреннее вращение. Мир, Москва, 1957, 327с.
8. Б.М. Коварская, Л.И. Голубенкова, М.С. Акутин, П.И. Левантовская. ВМС, 1, 1042 (1959).
© И. А. Гришанова - к.т.н., доц. каф. МТ, КНИТУ, [email protected], И.Ш. Абдуллин - д-р. техн. наук, проф., зав. каф. ПНТВМ КНИТУ.
© I. A. Grishanova - Candidate of technical Sciences, Assoc. professor, Department. FT KNRTU, [email protected], I. Sh. Abdullin - Ph.D., professor, head of the department «Plasma- and nanotechnology high-molecular materials», KNRTU.
