CC BY
89
В. В. Хамматова, И. Ш. Абдуллин, Э. А. Хамматова
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ ВОЛОКОН
ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
Ключевые слова: полимерный материал, целлюлоза, модификация, плазма, свойства,
влажность, жесткость.
Рассмотрено влияние потока плазмы ВЧЕ - разряда пониженного давления на механические свойства полимерных материалов из целлюлозосодержащих волокон.
Keywords: polymeric material, cellulose, modification, plasma, properties, humidity, inflexibility.
Influence of stream ofplasma of VChE is considered - digit decompressed on mechanical properties ofpolymeric materials from целлюлозосодержащих fibres.
Целенаправленное исследование механических свойств полимерных материалов и волокон представляет научный интерес и имеет большое практическое значение, поскольку они определяют технологический процесс производства тканей и конечную потребительскую ценность швейных изделий.
Комплекс механических свойств природных целлюлозосодержащих волокон определяется их химическим составом и надмолекулярной структурой. Поэтому свойства волокон хлопка и льна, одинаковых по химическому составу, имеют много общего [1-3].
Из существующих видов растительных волокон менее формоустойчивыми для производства одежды являются целлюлозосодержащие волокна за счет изменения линейных размеров тканей и повышения сминаемости, которые проявляются в виде складок и морщин на материале, что негативно сказывается на внешнем виде изделий [4].
Из целлюлозных волокон наибольшее относительное разрывное усилие и наименьшее разрывное удлинение имеет элементарное льняное волокно по сравнению с хлопковым. Лен обладает более плотной и ориентированной структурой. Относительное разрывное усилие комплексного волокна льна несколько ниже элементарного, так как в структуре первого имеются менее прочные срединные пластинки, соединяющие элементарные волокна, в результате чего образуется упругая сетка - сетчатый каркас, обеспечивающий волокну гибкость. Общие сведения о структуре волокон приведены в работах [5].
В работе [3] отмечается, что гибкость пряжи для текстильного производства оказывает значительное влияние на изготовление текстильных полотен, так как в процессе ткачества она постоянно претерпевает деформации изгиба. Поэтому чем выше гибкость пряжи, тем меньше ее жесткость и обрывность на ткацком станке.
Недостаточная прочность приводит к высокой обрывности волокон и пряжи в процессе прядения и ткачества. Обрывность основных нитей зависит от многих причин: качества пряжи, вытяжки и ошлихтованной основы. Значительная доля обрывов происходит вследствие потери прочности основных нитей от истирания [6].
При оценке механических свойств смешанных волокон (хлопка и льна), наибольшее значение получили исследования разрывной нагрузки пряжи [7]. Исследования показали, что на прочность этой пряжи значительное влияние оказывает длина волокна. Длина волокна влияет на способ его переработки в пряжу, а также на структуру и свойства пряжи. Более длинные и тонкие элементарные волокна обеспечивают большую поверхность спаек, в результате чего прочность волокна увеличивается, а поверхность сглаживается, что имеет наибольшее значение для силуэтного решения модели изделия [8].
Ткань, полученная из коротковолокнистого льна, обладает меньшей упругостью, что является причиной повышенной сминаемости внешнего вида изделий и форм ее отдельных элементов [9]. Поэтому для повышения формоустойчивости текстильных материалов и динамических характеристик используется волокно меньшего диаметра и большей длины.
Закономерности ухудшения внешнего вида швейных изделий связаны с физическим состоянием волокна, поэтому сминаемость можно регулировать, изменяя молекулярную и надмолекулярную структуру волокна [5]. Из механических свойств текстильных материалов, используемых в производстве тканей и нитей, немаловажное значение имеет деформация растяжения, которая характеризуется удлинением волокна.
В КГТУ на протяжении многих лет проводятся теоретические и экспериментальные исследования по разработке технологий модификации полимерных материалов с использованием потока плазмы высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда [10]. В работе рассмотрены вопросы воздействия низкотемпературной плазмы на текстильные материалы, обработанные в различных режимах при определенных энергетических параметрах и длительности обработки с целью улучшения эксплуатационных характеристик и внешнего вида готовых швейных изделий.
Модификация текстильных материалов потоком плазмы ВЧЕ-разряда оказывает существенное влияние на механические свойства обрабатываемых полимерных материалов, от которых зависят свойства материалов из целлюлозосодержащих волокон.
Результаты работы и их обсуждение
Для большинства тканей важными механическими свойствами, определяющими размеры и форму швейных изделий, являются: прочность, надежность и износостойкость. Механические свойства текстильных материалов зависят от состава и структуры волокон, их толщины и переплетения, от вида их отделки (суровые, пропитанные спецсоставом, окрашенные и т. д.). Кроме этого, на свойства текстильных материалов при плазменной обработке оказывают влияние параметры плазменного потока. В связи с этим представляют особый интерес исследования по улучшению комплекса механических свойств под действием плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления, что в конечном итоге важно как для эффективного ведения технологического процесса ткацкого производства, так и в дальнейшем получении объемной формоустойчивой формы.
Полимерные материалы с содержанием целлюлозосодержащих волокон обрабатывали в потоке плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления при Р=33 Па; Оаг = 0,04 г/с; Рр = 1,7кВт; 1 =180с. (рис.1-2).
Влияние времени воздействия на показатели прочности текстильных нитей представлено на рисунке 1. Как показали результаты исследования, кратковременная обработка в потоке плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления в течение 120 — 180 с позволяет увеличить прочность нитей: льняных — на 70%, хлопковых — на 60%, шерстяных — на
24%. Увеличение времени воздействия до 720 с не приводит к дальнейшему повышению прочности волокна.
Рис. 1 - Относительная разрывная нагрузка целлюлозосодержащих нитей в зависимости от продолжительности плазменной обработки (Рр =1,1 кВт; Р =33 Па; О=0,04г/е, плазмообразующий газ - аргон)
Рис. 2 - Коэффициент жесткости нитей в зависимости от времени обработки потоком плазмы ВЧЕ-разряда (Рр =1,1 кВт; Р =33 Па; G=0,04^c, плазмообразующий газ - аргон)
На рис.2 представлены кривые, характеризующие коэффициент жесткости нитей в зависимости от времени обработки потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления.
На основе исследований установлено, что наибольшее значение коэффициента жесткости достигается при обработке нитей в течение 180 с: Ке|=1,18 для хлопка и Ке1 =1,53 для льна. При большом времени воздействия плазмой (до 720 с) жесткость нитей уменьшается, однако остается больше жесткости необработанных нитей (т=0).
Результаты исследования начального модуля жесткости показывают, что у пряжи из хлопковых волокон он увеличивается после обработки в 1,5 раза, у льняных — в 1,7 раз. Начальный модуль жесткости зависит от надмолекулярной структуры волокна, размера структурных элементов и их подвижности. Обработка потоком плазмы затрудняет деформацию нитей, что способствует большей формоустойчивости изделий в процессе эксплуатации.
Как следует из указанных зависимостей, для увеличения прочности и уменьшения деформируемости нитей из целлюлозосодержащих волокон потоком плазмы обработку необходимо осуществлять в ВЧЕ-разряде при расходе газа аргон 0=0,04 г/с, Рр=1,1 кВт, времени экспозиции т=180с; Р=33Па; ивч=320 В в зависимости от вида волокна.
Изменение условий окружающей среды при проведении измерений также влияет на механические свойства нитей, и в значительной степени зависят от способности последних поглощать влагу. На рис. 3 - 4 приводятся зависимости разрывной нагрузки и удлинения при различных относительных влажностях воздуха.
Величину относительной разрывной нагрузки (АРн;,%) вычисляли относительно стандартной влажности воздуха по формуле:
(Р
А Р
Н1
- Р,
60
) х 100
Н1
Р
(1)
60
где Рн - разрывная нагрузка при разных значениях относительной влажности воздуха и при температуре (Т=20°С), Н; Р н б0 - разрывная нагрузка при относительной влажности
воздуха 60%, Н.
Рис. 3 - Относительная разрывная нагрузка нитей в зависимости от влажности (Рр =1,1 кВт; т=180с, Р =33 Па; 0=0,04г/с, плазмообразующий газ - воздух
Как видно из рис.3, при повышении влажности от 60% до 100 % у целлюлозосодержащих нитей относительная разрывная нагрузка увеличивается на 14%. Исключение составляют нити из льна, где с повышением влажности, наблюдается снижение прочности на разрыв на 3 %.
Б Ер.'Уи
0 10 20 30 40 50 60 70 80 Влажн,%
Хлопчатобумажная ннть: • 6 е I Н Т П ; * с Н Т П .
Льняная ннть: —ж— 6 е I Н Т П ; —О—с Н ТП .
Рис. 4 -Относительное удлинение нитей в зависимости от влажности (Рр =1,1 кВт; т=180с, Р =33 Па; О=0,04г/с, плазмообразующий газ - воздух)
Характер изменения относительного разрывного удлинения (вр,%) не зависит от природы волокнообразующего полимера (рис. 4), а с увлажнением растет деформация у хлопка на 2 - 4 %, у льна - на 6 - 8 %. Таким образом, с увеличением содержания воды прочность нитей из полимерных волокон.
Анализируя полученные зависимости, можно предположить, что в природных полимерах, у которых макромолекулы целлюлозы расположены под углом к оси волокна, вода способствует более свободному изменению ориентации макромолекул за счет ослабления межмолекулярных связей по направлению действия растягивающей силы вдоль оси волокна.
Заключение
Установлен оптимальный диапазон изменения значений параметров обработки потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления, в пределах которого происходит изменение механических свойств полимерных материалов из целлюлозосодержащих волокон: расход плазмообразующего газа аргона и воздуха от 0 до 0,05 г/с; продолжительность обработки - т=60 -180с; давление в рабочей камере от 26 до 53 Па; частота поля - 1=13,56 МГц и мощность разряда от 0,2 до 2,0 кВт.
Эксперименты показали, что на механические свойства нитей оказывают влияния не только режимы обработки плазмой ВЧЕ-разряда, но и изменение условий окружающей среды.
Литература
1. Бузов, Б.А. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство) / Б.А.Бузов, Н.Д.Алыменкова: учебник для студ. высш. учеб. завед. - 2-е изд., стер. -М.: Академия. - 2004. - 448 с.
2. Кленкова, П.И. Структура и реакционная способность целлюлозы / П.И. Кленкова. - Л.: Наука, 1976. -367 с.
3. Бухонька, Н.П. Исследование гибкости пряжи с содержанием льняного волокна / Н.П.Бухонька,
A.Н. Слизков //Текстильная промышленность. - 2003. - № 1-2. -С. 43-44.
4. Крагельский, И.В. Физические свойства лубяного сырья / И.В.Крагельский - М.; Л.: Гизлег-пром. - 1939.
5. Перепелкин, К.Е. Структура и свойства волокон / К.Е. Перепелкин. - М.: Химия, 1985. -208 с.
6. Сухарев, М.И. Материаловедение / М.И. Сухарев. - М.: Легкая индустрия, 1973. -260 с.
7. Евтушенко, В.В. Формирование физико-механических свойств пряжи из смеси волокон /
B.В.Евтушенко, П.А.Чурсина // Легкая промышленность. - 2002. - № 4. - С. 67.
8. Еремина, К.И. Текстильные волокна, их получение и свойства / К.И.Еремина, Б.В.Барухсон. -М.: Легкая индустрия. - 1971. -360с.
9. Бакуленко, С.Г. Изменение гигиенически важных свойств льнолавсановых тканей в процессе стирок / С.Г. Бакуленко // Текстильная промышленность. - 1981. - №2. - С.30-32.
10. Абдуллин, И.Ш. Влияние потока плазмы на микроструктуру и свойства текстильных материалов для проектируемых моделей одежды. / И.Ш.Абдуллин, Э.А.Хамматова, В.В. Хамматова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 6. - С. 59-64.
© В. В. Хамматова - д-р техн. наук, проф., зав. каф. дизайна КГТУ; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, [email protected]; Э. А. Хамматова - студ. КГТУ.
