CC BY
23
химическая технология и экология
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИИ СТИРОЛ-АКРИЛАТА ПО ОБЪЕМУ ТКАНОЙ ОСНОВЫ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ТЕКСТИЛЬНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Н.Н. Ясинская, В.В. Мурычева 677.017
РЕФЕРАТ
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, ТКАНОЕ ПОЛОТНО, ПРОПИТКА, СВЯ-ЗУЮЩЕЕ, ДИСПЕРСИЯ ПОЛИМЕРА, КАПИЛЛЯРНЫЙ ПОДЪЕМ, АДСОРБЦИЯ
ABSTRACT
COMPOSITE MATERIAL, WOVEN FABRIC, IMPREGNATED, MIDDLEWARE, POLYMER DISPERSION, THE CAPILLARY RISE, ADSORPTION
Одной из основных технологических операций, связанных с производством композиционных материалов, является пропитка армирующей структуры полимерным связующим. Особенно важен этот аспект при использовании в качестве основы композитов готовых волокнистых полотен или изделий, к которым, в первую очередь, следует отнести тканые полотна, имеющие заданную потребителем форму.
Целью работы является исследование зависимости относительного содержания полимерного связующего в тканом полотне от свойств полимерной композиции и волокнистого материала, а также равномерность распределения связующего в тканой основе при формировании текстильных композиционных материалов.
Разработана математическая модель, позволяющая определить процентное содержание адсорбированной дисперсии связующего в объеме тканой основы композиционного материала. Установлен характер влияния плотности и вязкости полимерной композиции, плотности волокнистого материала на относительное содержание связующего в тканом полотне. Предложен метод определения равномерности распределения полимерного связующего по объему тканого полотна.
Одной из основных технологических операций, связанных с производством композиционных материалов, является пропитка армирующей структуры полимерным связующим. Особенно важен этот аспект при использовании в качестве основы композитов готовых волокнистых полотен или изделий, к которым, в первую
One of the main technological operations related to the production of composite materials, is the impregnation of the reinforcing structure polymeric binder. This aspect is particularly important when using as a basis the finished composite fibrous webs or articles, which primarily should include woven webs having a predetermined shape by the consumer.
The purpose is to investigate the dependence of the relative content of the binder polymer in the woven cloth by the composition and properties of the polymer fiber material, and the uniformity of distribution of the binder in the formation of the woven textile-based composite materials.
A mathematical model, which allows to determine the percentage of adsorbed binder dispersion in the amount of the base fabric composite material. The nature of the influence of density and viscosity of the polymeric composition, the density of the fibrous material relative to the binder content in the woven fabric. A method for determining the uniform distribution of the polymer binder in terms of woven fabric.
_У
очередь, следует отнести тканые полотна, имеющие заданную потребителем форму.
Для достижения высоких прочностных свойств композитов пропитка тканой основы может осуществляться следующими методами: протягиванием через ванну со связующим; окунанием волокнистого материала; просасы-
вестник витебского государственного технологического университета
выпуск 28
ванием связующего через слой волокнистого материала под действием разности давлений; методом капиллярного насыщения; комбинированными методами [1].
С точки зрения технологического упрощения, снижения трудоемкости и энергетических затрат процесса пропитки, наиболее предпочтительным представляется метод капиллярного подъема. При этом расход связующего и интенсивность пропитки будут зависеть от пористости тканой основы, свойств связующего и темпов его впитывания.
На качественные показатели готового композита влияет равномерность адсорбированной дисперсии полимерного связующего в объеме тканой основы.
Целью работы является исследование зависимости относительного содержания полимерного связующего в тканом полотне от свойств полимерной композиции и волокнистого материала, а также равномерность распределения связующего в тканой основе при формировании текстильных композиционных материалов.
Для исследования зависимости относительного содержания и равномерности распределения полимерного связующего в тканом полотне от свойств полимерной композиции и волокнистого материала использовалась водная дисперсия стирол-акрилата.
Процентное содержание адсорбированной дисперсии стирол-акрилата в объеме тканой основы для предельных значений ее концентрации в полимерной композиции (100 и 500 г/л) при температуре процесса импрегнирования 20, 40 и 60 °С определяли «методом сухого привеса» - наиболее распространенный метод (рисунки 1 и 2).
Взвешенный образец тканой основы 10*10 см подвергают в определенных условиях пропитыванию полимерной композицией, затем высушивают и снова взвешивают. Привес (величина адсорбции), выраженный в процентах от массы исходного материала, служит количественной характеристикой пропитывающих свойств полимерной композиции [2].
Анализ представленных графических зависимостей показывает, что повышение концентрации дисперсии стирол-акрилата в полимерной композиции увеличивает эффективность пропи-
Г-N
16
0 2 4 6 S
время, мин.
---концентрация аппрета 100 г/л
-концентрация аппрета 100 г/л
Рисунок 1 - Кинетические кривые адсорбции стирол-акрилата различной концентрации на тканой основе композиционного материала
Г->
время, мин.
-----температура импрегнирования - 20 градусов
---температура импрегнирования - 40 градусов
-температура импрегнирования - 60 градусов
Рисунок 2 - Кинетические кривые адсорбции стирол-акрилата на тканой основе композиционного материала при различной температуре процесса импрегнирования
тывания. Процесс адсорбции протекает с высокой скоростью в начальный период импрегнирования материала (в течение 1-2 минут). Далее механизм и скорость переноса сорбата зависят от концентрации стирол-акрилата и температуры импрегнирования: величина адсорбции тем выше, чем выше концентрация и температура.
Равномерность и скорость адсорбции также зависит от структуры тканой основы: чем больше плотность тканой основы, тем быстрее наступает адсорбционное равновесие. Увеличение сквозной пористости тканой основы приводит к замедлению процесса адсорбции.
Однако тканая основа является гетеропори-стой системой с сообщающимися капиллярами,
следовательно, размер частиц дисперсии сти-рол-акрилата, вязкость, сорбционная устойчивость малозначительно влияют на процесс пропитывания.
При повышении температуры в пропиточной ванне улучшается доступность макропор волокнистого материала для проникновения макромолекул стирол-акрилата. Следовательно, повышение температуры пропитывания значительно улучшает проникновение полимерной композиции в поры тканой основы композиционного материала, однако чрезмерный и длительный нагрев пропитывающей дисперсии стирол-акрилата приводит к ее астабилизации и коагуляции [3].
Разработана математическая модель, позволяющая определить процентное содержания адсорбированной дисперсии стирол-акрилата в объеме тканой основы КТМ, % :
где пов - коэффициент смятия нитей основы для сечения эллипс по вертикальной оси; ко - высота волны изгиба нитей основы, м.
Если часть объема пор не будет заполнена связующим или в нем окажутся пузырьки воздуха, то масса связующего, кг:
т = к • а • у„ • в. о 10 (4)
Коэффициент пропитывания определяется
следующим образом:
к = ш /РЯ, о а ' (5)
•V =
Ь -УЛУ. - ти )+ 640 • г, ^Уо *
К ■ Го(/,•<?"»'„)+ 64»' У. \У„ • ^ •.
где С - концентрация дисперсии в полимерной композиции, г/л; к0 - коэффициент пропитывания, учитывающий степень заполнения пор полимерной композицией; у0 - плотность полимерной композиции, кг/м3; ув - плотность волокна, кг/м3; в - толщина тканой основы, м; тН - масса 1 м2 тканой основы, кг; V - скорость движения тканой основы на поточной линии, м/с; п - вязкость, Па-с.
Известно, что при условии, что все поры тканой основы композиционного материала при пропитке полимерной композицией заполнены, то масса связующего тр поглощенная порами тканой основы на 1 м2, кг:
где ша - массовая доля аппрета (полимерной композиции) после пропитывания, %; РЯ - общая пористость материала, %.
Общая пористость материала состоит из микроструктуры волокон, макроструктуры всего материала и сквозной пористости между нитями в переплетении В свою очередь, массовая доля полимерной композиции, %:
100, (1)
где Р2 - масса образца после пребывания в аппретирующем растворе, кг; Р1 - масса сухого образца, кг; У1 - объем образца, м3. Общая пористость материала, %:
где а - относительная объемная пористость тканой основы (общая пористость). Толщина тканой основы, м:
& и 100 (7)
где УР - объем пор, м3:
Л II • . г, (8)
В свою очередь, относительная объемная пористость тканой основы может быть выражена уравнением:
С
158
Подставляя значение а в уравнение (3.18), получим выражение для тг кг:
Однако при выходе тканой основы из пропиточной ванны вследствие смачивания на обеих поверхностях будут образовываться тонкие слои полимерной композиции с толщинами кг
Если исходить из уравнения, связывающего динамическую вязкость пропиточного состава П со скоростью движения тканой основы V при выходе ее из пропиточной ванны, то толщина слоя к1, м:
Тогда количество связующего, наносимое на обе стороны тканой основы на 1 м2 т2, кг:
т2 = 2 Н1 ■ Га . (12)
Или с учетом уравнения (11) с некоторым округлением количество связующего, кг:
т, =0,64 ^ Го 1 (13)
Из анализа математической модели (1) при рассмотрении механизма процесса пропитки следует, что при прочих равных условиях:
• с увеличением плотности пропитывающей полимерной композиции у0 увеличивается относительное содержание полимерной композиции в пропитанном тканом полотне, приближаясь постепенно к постоянной величине (так как с увеличением плотности вязкость раствора увеличивается быстрее);
• с увеличением скорости V выхода тканого полотна из пропиточной ванны или с увеличением вязкости п пропитывающей дисперсии также
увеличивается относительное содержание полимерной композиции (за счет увеличения толщины) с той же тенденцией, что и при увеличении плотности;
• с увеличением плотности волокон тканой основы относительное количество полимерной композиции в пропитанном тканом полотне незначительно уменьшается, так же как и с увеличением толщины наполнителя.
Полученные расчетные и экспериментальные данные представлены в таблице 1.
Установлено, что отклонение теоретических значений от экспериментальных составляет 1,58 %, что подтверждает адекватность созданной математической модели (1), следовательно, она может быть использована для определения процентного содержания адсорбированной дисперсии в объеме тканой основы композиционного материала в процессе импрегнирова-ния [4].
Недостаток метода сухого привеса заключается в том, что он не учитывает отфильтро-вывание частиц дисперсии стирол-акрилата. Рассмотрен специальный метод, учитывающий способность полимерной композиции равномерно пропитывать тканую основу.
Согласно данному методу, количество пропитывающего вещества определяется путем взвешивания нитей утка длиной 10 см и вычитания из найденного значения веса таких же нитей, взятых из непропитанной тканой основы композиционного материала. Продолжительность обработки - 15 минут, концентрация дисперсии стирол-акрилата - 100 и 500 г/л, температура обработки - 20 °С [5].
Результаты проведенных экспериментов представлены графически на рисунках 3 и 4.
Анализируя представленные графические зависимости, можно сделать вывод, что количество дисперсной фазы, отложившейся на различных нитях утка, практически одинаково. Коэффициенты вариации полученных данных равны 0,25 % и 0,21 %, соответственно. Такие значения данного показателя обусловлены удачно выбранным переплетением тканой основы - просвечивающее на базе репса 4/4, а также видом используемого сырья - рыхлой, гидрофильной, комплексной вискозной нитью. В свою очередь следует заметить, что значение концентрации
Таблица 1 - Расчетные и экспериментальные данные
Показатель Обозначение Расчетные значения Экспериментальные значения
Концентрация 100 г/л Концентрация 500 г/л Концентрация 100 г/л Концентрация 500 г/л
Масса образца, г ?1 - 4,9
Масса образца после аппретирования, г Р2 - 5,5 6,0
Плотность волокна, г/см3 Гь 1,5 -
Длина образца, м 1 0,1 -
Ширина образца, м Ь 0,1 -
Толщина (высота), м ь 0,001 -
Объем образца, м3 V 12 • 10-6 -
Объем пор, см3 V 8,8 • 10-6 -
Общая пористость материала, %. рп 73,3 -
Массовая доля аппрета (полимерной композиции) после пропитывания, % IV а 5,0 9,2 -
Коэффициент пропитывания к 0,1 0,1 -
Относительная объемная пористость а 0,7 -
Масса связующего, поглощенная порами тканой основы на 1 м2, кг т1 0,1 0,1 -
Толщина слоя, м \ 0,0002900 0,0000957 -
Количество связующего, наносимое на обе стороны тканой основы на 1 м2, кг т2 0,608 0,201 -
Процентное содержание адсорбированной дисперсии стирол-акрилата, % ^адс 4,23 14,50 4,30 14,60
Г
£ £
0,003 76 0,00375 0,00374 0,003 73 0,00372 0,00371 0.0037
2 3 4 5 6 7 8 9 порядковый номер нити утка
10
Рисунок 3 - Величина сухого привеса различных нитей утка тканой основы композиционного материала при концентрации стирол-акрилата -100 г/л
У
0,01128 -
£ 0,01126 -° х
& Ь 0,01124
и I
аа 5 и ие
х ш 0,0112
(В ^ 0,01118 вп
0,01116 0,01114
порядковый номер нити утка
Рисунок 4 - Величина сухого привеса различных нитей утка тканой основы композиционного материала при концентрации стирол-акрилата - 500 г/л
стирол-акрилата играет незначительную роль при выбранных режимах обработки и параметрах строения тканой основы.
Среднее количество отложившейся дисперсной фазы на тканой основе при предельных значениях концентрации стирол-акрилата составляет 9,5 % и 28,7 %, соответственно.
С
160
ВЫВОДЫ
1. Путем теоретических и экспериментальных исследований установлено, что на качественные показатели готового композита влияет равномерность адсорбиро-ванной дисперсии полимерного связующего в объеме тканой основы.
2. Проведены экспериментальные исследования и создана математическая модель, позволяющая определить процентное содержание адсорбированной дисперсии стирол-акрилата в объеме тканой основы композиционного материала.
3. Установлена способность полимерной композиции равномерно пропитывать тканую основу.
(
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Иманкулова, А.С. (2005), Физико-механические свойства композита с тканой базальтовой основой, Вопросы материаловедения, 2005, № 3 (43), С. 55-60.
2. Воюцкий, С.С. (1969), Физико-химические основы пропитывания и импрегнирования волокнистых систем водными дисперсиями полимеров, Москва, 336 с.
3. Браславский, В.А. (1987), Капиллярные процессы в текстильных материалах, Москва, 112 с.
-\
REFERENCES
1. ImankuLova, A.S. (2005), Physical and mechanical properties of composite woven basalt foundation [Fiziko-mekhanicheskie svojstva kompozita s tkanoj bazaltovoj osnovoj], Voprosi materialovedenija - Problems of Materials Science, 2005, № 3 (43), pp. 55-60.
2. Voyutsky, S.S. (1969), Fiziko-khimicheskie osnovi propitivanija i impregnirovanija voloknistikh system vodnimi dispersijami polimerov [Physico-chemical basis of soaking and impregnating fiber systems aqueous polymer dispersion], Moscow, 336 p.
4. Базеко, В.В., Ясинская, Н.Н., Коган, А.П (2010), Исследование физико-механических свойств тканей со специальными видами заключительной отделки, Вестник ВГТУ, 2010, № 18, С. 9-13.
5. Базеко, В.В., Ясинская, Н.Н., Коган, А.П (2011), Исследование физико-механических, гигиенических и эксплуатационных свойств льняных декоративных материалов, Вестник ВГТУ, 2011, № 21, С. 13-18.
3. Braslavsky, V.A. (1987), Kapilljarnie processi v tekstilnikh materialakh [Capillary processes in textiles], Moscow, 112 p.
4. Bazeko, V.V., Yasinskaya, N.N., Kogan, A.G. (2010), The study of physical and mechanical properties of tissues with special kinds of final finishes [Issledovanie fiziko-mekhanicheskikh svojstv tkanejso specialnimi vidami zakluchitelnoj otdelki], Vestnik VGTU - Herald VGTU, 2010, № 18, pp. 9-13.
5. Bazeko, V.V., Yasinskaya, N.N., Kogan, A.G. (2011), The study of physical, mechanical, sanitary and operational properties of linen decorative materials [Issledovanie fiziko-mekhanicheskikh, gigienicheskikh i ekspluatacionnikh svojstv lnjanikh dekorativnikh materialov], Vestnik VGTU - Herald VGTU, 2011, № 21, pp. 13-18.
Статья поступила в редакцию 017. 03. 2015 г.
