CC BY
46
УДК 691.145:620
C.B. Федосов, М.В. Акулова, М.В. Таничев, Д.А. Шутов*
ФГБОУВПО «ИГАСУ», *ФГБОУВПО «ИГХТУ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА НА ГИДРОФИЛЬНЫЕ СВОЙСТВА РЕМОНТНОГО ФЛИЗЕЛИНА
Показано, что время смачиваемости флизелина значительно уменьшилось, а водопо-глощение возросло уже при малых временах обработки материала (от 15 с) в низкотемпературной плазме тлеющего разряда.
Ключевые слова: флизелин, рулонные стеновые материалы, обои, низкотемпературная плазма, тлеющий разряд, смачиваемость, водопоглощение, гидрофильные свойства.
В современной строительной индустрии быстрыми темпами развивается производство рулонных отделочных материалов. Одним из перспективных видов таких материалов являются обои, которые в настоящее время очень разнообразны не только по своему составу, внешнему виду, но и по способу применения и эксплуатации [1]. Для многих из этих обоев требуются специальные клеевые составы, обеспечивающие надежное сцепление со строительным композитом. Они содержат в своем составе различные химические добавки для повышения адгезионных свойств и являются весьма дорогостоящими и требующими больших затрат времени для выполнения оклеивания поверхностей обоями. Поэтому увеличение адгезионной способности и улучшение гидрофильных свойств материалов помогло бы вернуться к использованию дешевых клеев, не ухудшая адгезионных характеристик этих покрытий [2]. Возможность применения низкотемпературной плазмы тлеющего разряда для модификации свойств рулонных строительных материалов является актуальной.
В настоящее время обработка материалов в низкотемпературной плазме тлеющего разряда применяется в ряде отраслей промышленности, в частности в текстильной, строительной, а также в химической при производстве различных полимерных пленок [3, 4]. Если основной задачей плазменной модификации пленочных материалов является улучшение адгезионных характеристик, то для текстильных материалов большое значение имеет изменение гидрофильных свойств, загрязняемости и т.п. Результаты исследований [4, 5] наглядно свидетельствуют о положительном влиянии низкотемпературной плазмы практически на все гидрофильные свойства текстильных полотен. Обработка в плазме полимерных пленок приводит к улучшению смачиваемости полимера, к возрастанию косинуса краевого угла смачивания, который является мерой поверхностной энергии полимера, что обеспечивает материалу и повышение адгезионной активности [4].
Обработку материалов в тлеющем разряде сравнительно недавно стали применять и в строительной индустрии. Новым строительным и теплоизоляционным материалом являются фибробетоны. Особенно перспективным является применение органических волокон в качестве фибросоставляющей бетонов. Для армирования таких бетонов и других материалов с низким модулем упругости используют полимерные волокна, что позволяет увеличить прочность на удар строительных композиций. В качестве полимерных материалов используют полиэфиры, полиакрилаты, полипропилен и др.
Одним из основных условий получения качественных дисперсно-армированных бетонов является высокая адгезия армирующих волокон к строительной матрице. Однако свойства практически всех неметаллических волокнистых материалов не удовлетворяют данному требованию, а их сцепление со строительным композитом во многом обусловливается силами трения [6]. Низкотемпературные разряды, в свою очередь,
© Федосов С.В., Акулова М.В., Таничев М.В., Шутов ДА, 2011
63
ВЕСТНИК 1/2012
позволяют придавать волокнам целый комплекс улучшенных свойств: увеличение гидрофильных свойств, изменение рельефа поверхностного слоя, улучшение прочностных характеристик и др. [4, 7].
Преимущества плазмохимического способа обработки заключаются, прежде всего, 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 [8]. Однако в производстве стеновых рулонных материалов тлеющий разряд не применялся. Поэтому низкотемпературную плазму целесообразно использовать для модификации свойств рулонных строительных материалов и их адгезионных характеристик.
В данной работе исследовалось влияние низкотемпературной плазмы тлеющего разряда постоянного тока на гидрофильные свойства ремонтного флизелина (артикул 02065, плотность 65 г/м2). Данный материал выбран в качестве первоочередного объекта исследования в связи с тем, что в настоящее время подавляющее большинство виниловых обоев имеет флизелиновую основу.
Экспериментальные исследования проводились на установке (рис. 1), созданной на кафедре «Технология приборов и материалов электронной техники» (ТП и МЭТ) Ивановского государственного химико-технологического университета.
1 112
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — электроды; 2 — медь-константановая термопара; 3 — масляный манометр; 4 — капиллярный расходомер; 5 — обрабатываемый образец; 6 — термостатирующая оболочка; 7 — форвакуумный насос; 8 вакуумный кран
Плазма создавалась путем зажигания разряда постоянного тока в цилиндрическом стеклянном реакторе. Давление смеси в реакторе составляло 100 Па, линейная скорость потока газа была 30 см/с, ток разряда 100 мА. Плазмообразующим газом являлся воздух. Образец флизелина площадью 28,5 см2 располагался в виде кольца по образующей на стенке реактора. Вследствие небольших времен обработки (15...120 с) образец не термостатировался. Давление в реакторе измерялось ^-образным масляным манометром, а расход газа — капиллярным расходомером, предварительно откалибро-ванным методом газовой бюретки. Рабочими жидкостями манометра и расходомера являлось силиконовое масло.
Для необработанных в плазме образцов и для материала, подвергнутого обработке в течение 15, 30, 45, 60, 90 и 120 с, определялось изменение смачиваемости и водо-поглощения рулонного материала (флизелина). После обработки в плазме тлеющего разряда образец материала для определения времени смачиваемости помещался на полый сухой сосуд, где его увлажняли каплями дистиллированной воды. Время растекания капли (исчезновение ее зеркальной поверхности) замерялось секундомером.
64
^ 1997-0935. УвБШк MGSU. 2012. № 1
Для определения водопоглощения из материала вырезали образцы размером 20x47 мм. После обработки их взвешивали на аналитических весах, затем помещали 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 сравнения смачиваемость и водопоглощение определялись для образцов с разным временем обработки в тлеющем разряде, а также для необработанных образцов. Для каждого условия (времени обработки) выполнялось не менее 5 измерений. Результаты исследований приведены в табл. 1 и 2.
Табл.1. Изменение смачиваемости ремонтного флизелина в зависимости от времени обработки в тлеющем разряде при давлении 100 Па (воздух) и силе тока 100 мА
Время обработки Смачиваемость, с Средняя сма-
в тлеющем разряде, с 1 2 3 4 5 чиваемость, с
Необработанные образцы 720 720 720 720 720 720*
15 0,90 1,03 1,04 0,83 0,95 0,95
30 0,67 0,60 0,55 0,73 0,61 0,63
45 0,50 0,40 0,58 0,35 0,40 0,45
60 0,33 0,40 0,30 0,23 0,30 0,31
90 0,23 0,30 0,25 0,33 0,22 0,27
120 0,25 0,28 0,26 0,24 0,31 0,27
За указанное время растекания капель не произошло.
Как видно из приведенных данных, модификация поверхностного слоя рулонных стеновых материалов в низкотемпературной плазме тлеющего разряда существенно влияет на их смачиваемость. Так, необработанные образцы гидрофобны (капли воды на них не растекаются, и их зеркальная поверхность не исчезает, рис. 2), тогда как кратковременное воздействие тлеющего разряда приводит к снижению времени смачиваемости, причем между этими величинами наблюдается обратная зависимость. Так, с увеличением времени обработки в 4 раза (с 15 до 60 с) время смачиваемости образцов снизилось в 3,1 раза. При доведении времени обработки до 90 с дальнейшее уменьшение времени смачиваемости прекращается.
Рис. 2. Внешний вид капли дистиллированной воды на необработанном образце
Табл. 2. Изменение водопоглощения ремонтного флизелина в зависимости от времени обработки в тлеющем разряде при давлении 100 Па (воздух) и силе тока 100 мА
Время обработки Водопоглощение, % Среднее водопо-
в тлеющем разряде, с 1 2 3 4 5 глощение, %
Необработанные образцы 106,6 87,5 85,9 91,2 91,6 92,6
15 143,9 147,7 165,0 165,6 152,9 155,0
30 166,7 174,0 153,9 176,4 151,4 164,5
45 169,2 166,6 157,3 172,2 177,8 168,6
60 162,2 174,7 180,8 152,2 168,1 167,6
90 161,4 169,0 177,1 156,3 189,2 170,6
120 167,2 191,5 160,8 153,5 149,3 164,5
ВЕСТНИК 1/2012
Из приведенных данных видно, что обработка в плазме тлеющего разряда приводит к увеличению водопоглощения исследуемых образцов. Так, обработка флизелина в течение 45 с приводит к увеличению его водопоглощения на 76 % по сравнению с необработанным материалом. При дальнейшем увеличении времени обработки образцов до 60, 90 и 120 с водопоглощение перестает нарастать.
Таким образом, на основе проведенных испытаний можно сделать вывод, что модификация рулонных стеновых материалов (в частности ремонтного флизелина) в плазме тлеющего разряда уже при малых временах обработки приводит к значительному улучшению их гидрофильных свойств, причем с увеличением времени обработки эффект нарастает.
Полученное в ходе исследования улучшение гидрофильных свойств стеновых рулонных материалов приведет к сокращению времени их пропитки клеевыми и красящими составами, что будет способствовать уменьшению затрат времени для оклеивания поверхностей обоями.
Библиографический список
1. Акулова М.В. Основы технологии отделочных и гидроизоляционных материалов. Иваново : ИХТИ, ИИСИ, 1991. 76 с.
2. Модификация поверхности стеновых рулонных материалов в тлеющем разряде / C.B. Федосов, М.В. Акулова, Б.Н. Мельников, Л.В. Шарнина, Е.П. Чекулаева // Сборник трудов IV Междунар. симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии / ИГХТУ. Иваново, 2005. Т. 2. С. 580—581.
3. Kymenoe A.M., Захаров А.Г., Максимов А.И. Вакуумно-плазменное и плазменно-растворное модифицирование полимерных материалов. М. : Наука, 2004. 496 с.
4. Применение тлеющего разряда в строительной и текстильной промышленности / C.B. Федосов, Б.Н. Мельников, М.В. Акулова, Л.В. Шарнина. Иваново : ИГХТУ, ИГАСУ, 2008. 236 с.
5. Шарнина Л.В. Научные основы и технологии отделки текстильных материалов с использованием низкотемпературной плазмы, новых препаратов и способов колорирования : дисс. ... д-ра техн. наук. Иваново, 2006. 335 с.
6. Рабинович Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны. М. : Стройиздат, 1989. 174 с.
7. Елин В.К. Фибробетон, армированный волокнами, модифицированными плазмой тлеющего разряда : дисс. ... канд. техн. наук. Иваново, 2006. 155 с.
8. Максимов А.И. Теория неравновесных процессов технологии электронных приборов. М. : ИХРРАН, 1984. 306 с.
Поступила в редакцию в декабре 2011 г.
Об авторах: Федосов Сергей Викторович — академик РААСН, доктор технических наук, профессор, ректор, зав. 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, гес-tor@igasu.ru;
Акулова Марина Владимировна — советник РААСН, доктор технических наук, профессор, зав. 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;
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, +7(908) 564-64-42, maxt_ivanovo@mail.ru;
Шутов Дмитрий Александрович — доцент кафедры технологии приборов и материалов электронной техники, Ивановский государственный химико-технологический университет (ИГХТУ), 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 7, +7(920) 675-39-25, shutov@isuct.ru.
Для цитирования: Исследование влияния низкотемпературной плазмы тлеющего разряда на гидрофильные свойства ремонтного флизелина / C.B. Федосов, М.В. Акулова, М.В. Таничев, ДА. Шутов // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 63—67.
66
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 1
S.V. Fedosov, M.V. Akulova, M.V. Tanichev, D.A. Shutov
THE INVESTIGATION OF THE LOW-TEMPERATURE GLOW DISCHARGE PLASMA TREATMENT ON THE HYDROPHYLIC PROPERTY OF THE VLIESELINE-BASED WALLPAPER
It was shown that the first 15 seconds of the plasma treatment lead to the sharp increase of the wallpaper hydrophilicity and water absorption.
Key words: vlieseline-based wallpaper, rolled wallpaper, wallpaper, low-temperature plasma, glow discharge, hydrophility.
References
1. Akulova M.V. Osnovy tehnologii otdelochnyh i gidroizoljacionnyh materialov [The fundamentals technologies of the finishings and waterproofer]. ICTI, IEAI, Ivanovo, 1991, 76 p. (in Russian).
2. Fedosov S.V., Melnikov B.N., Akulova B.N., Sharnina L.V., Elin V.K. Modifikacija poverhnosti stenovyh rulonnyh materialov v tlejuwem razrjade [Surface modification of nonmetallic fibers for concrete armature by glow discharge plasma] // IV International Conference on Theoretical and Applied Plasma-chemistry, May 13—18, 2006, Ivanovo, Russia (Book of abstracts, Vol. 2, Pp. 580—581).
3. Kutepov A.M., Zaharov A.G., Maximov A.I. Vakuumno-plazmennoe i plazmenno-rastvornoe mod-ificirovanie polimernyh materialov [Vakuum-plasma and plasma-liquid modification of the polymers]. Moscow, Nauka, 2004, 496 p. (in Russian).
4. Fedosov S.V., Melnikov B.N., Akulova B.N., Sharnina L.V. Primenenie tlejuwego razrjada v stroi-tel'noj i tekstil'noj promyshlennosti [The application og the glow discharge in civil engineering and textile]. ISUCT, ISUCEA, Ivanovo, 2008, 236 p. (in Russian).
5. Sharnina L.V. Nauchnye osnovy i tehnologii otdelki tekstil'nyh materialov s ispol'zovaniem nizko-temperaturnoj plazmy, novyh preparatov i sposobov kolorirovanija [Fundamentals and technologies of the textiles low-temperature plasma modification, new materials and coloration]. Ivanovo, 2006, 335 p. (in Russian).
6. Rabinovich F.N. Dispersno-armirovannye betony [Fibre-reinforced concrete]. Moscow, Stroyizdat, 1989, 174 p. (in Russian).
7. Elin V.K. Fibrobeton, armirovannyj voloknami, modificirovannymi plazmoj tlejushhego razrjada [The glow discharge plasma modification of the Fibre-reinforced concrete]. Ivanovo, 2006, 155 p. (in Russian).
8. Maximov A.I. Teorija neravnovesnyh processov tehnologii jelektronnyh priborov [Nonequilibrium processes in the vacuum tequinics], Moscow, ISCRAS, 1984, 306 p. (in Russian).
A b o u t a u t h o r s: Fedosov Sergey Viktorovich — Acad. of RAASN, Doctor tech. Sciences, Professor, rector of Ivanovo State Architecturally-Building University, 20, 8-th March, Ivanovo, Russia, 153037, +7-(4932)-32-85-40, rector@igasu.ru;
Akulova Marina Vladimirovna — Counselor of RAASN, Doctor tech. Sciences, Professor, Head of Building materials making Department, Ivanovo State Architecturally-Building University, 20, 8-th March, Ivanovo, 153037, Russia, +7-(4932)-37-34-36, k_psm@igasu.ru;
Tanichev Maxim Vladimirovich — Post-graduate Student, Ivanovo State Architecturally-Building University, 20, 8-th March, Ivanovo, Russia, 153037,+7-(908)-564-64-42, +7-(4932)-42-60-13, maxt_ivanovo@mail.ru.
Shutov Dmitriy Alexandrovich — Ph.D., Associated Professor, Ivanovo State University of Chemistry and Technology, 7, F. Engels, Ivanovo, 153000, +7-(920)-675-39-25, shutov@isuct.ru.
F o r c i t a t i o n: Fedosov S.V., Akulova M.V., Таничев M.B., Шутов Д.А. Issledovanie vlijanija nizko-temperaturnoj plazmy tlejuwego razrjada na gidrofil'nye svojstva remontnogo flizelina [The investigation of the low-temperature glow discharge plasma treatment on the hydrophylic property of the vlieseline-based wallpaper]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp. 63—67.
