Исследование впитывающей способности крученых синтетических мультифиламентных непрерывных волокон Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 677.021.125

И. А. Гришанова, И. Ш. Абдуллин, М. Ф. Шаехов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВПИТЫВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

КРУЧЕНЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ МУЛЬТИФИЛАМЕНТНЫХ НЕПРЕРЫВНЫХ ВОЛОКОН

Ключевые слова: структура, поры, капилляры , смачиваемость, пропитка, текстильное производство, филамент, волокно,

сверхмодульный полиэтилен.

В данной статье рассмотрено влияние величины крутки мультифиламентных непрерывных сверхмодульных полиэтиленовых волокон на капиллярную пропитку последних. Исследованы физико-механические свойства исходных и крученых волокон. Полученные данные свидетельствуют о возможности управления процессом массообмена в текстильных волокнах на границе твердо и жидкой фаз

Keywords: structure, pores, capillaries, wetting, impregnation, textiles, filament, fiber, polyethylene- (HMW-HDPE).

This article discusses the effect of the twist continuous multifilament sverhmodulnyh polyethylene fibers on the capillary impregnation of the latter. Studied physical and mechanical properties of the raw and the twisted fibers The obtained data indicate the possibility of mass transfer in the process control of textile fibers on the boundary of solid and liquid phases

Введение

Важной характеристикой текстильных материалов (волокно, нить, ткань, трикотаж, нетканый материал) является их капиллярно-пористая структура, имеющая капилляры и поры различных масштабов (от микро- до нанометровых), формы, ориентации и характера поверхности стенок [1,2]. Согласно классификации М.М Дубинина поры по размерам делятся на микропоры - 15*10-10м, мезопоры - 15* 10-10 -1000-10 м, макропоры -10-7м. Отличительной особенностью размеров наномасштабного уровня является увеличение площади поверхности на единицу объема, причем площадь на единицу объема обратно пропорциональна диаметру волокна, размерам пор и капилляров [3]. Каждому интервалу размеров пор соответствуют характерные адсорбционные свойства, возникающие на границе раздела фаз. Капилляры могут иметь ориентированный вид или быть изолированными. Таким образом текстильные материалы благодаря своей структуре являются диффузионнопроницаемы для тех или иных веществ [1-3].

В зависимости от характера смачивания поверхности стенок капилляров жидкостью наблюдается выпуклый/вогнутый мениск и, соответственно, возникает добавочное пониженное / повышенное капиллярное давление над мениском, создающее силу, стремящуюся поднять/ опустить жидкость в капилляре. Капиллярность является основой многих промышленных технологий как текстильного производства, так и других отраслей производства. Примерами межфазных

поверхностных явлений в текстильном производстве, когда в качестве твердой фазы выступает волокнообразующий материал, служат, например, следующие процессы:

- смачивания и растекания растворов на поверхности тканей при крашении и заключительной отделке;

- пропитка и импрегнирование тканей;

- адсорбция молекул поверхностно-активных веществ при химической модификации волокон;

- замасливание для снижения свободной поверхностной энергии волокон и т.д.

Таким образом, управление капиллярными свойствами конкретного материала позволяет регулировать процессы массообмена, а следовательно комфортность изделий из этого материала.

Задачей данной работы явилось исследование капиллярной пропитки

мультифиламентных синтетических волокон в зависимости от величины их крутки.

Объекты и методы исследования

В данной работе в качестве мультифиламентных непрерывных волокон использовались сверхмодульные полиэтиленовые волокна. Количество филаментов в волокне составляло - 800 единиц. Исследуемые волокна характеризуются оптимальным сочетанием комплекса физико-мехаческих свойств, позволяющих на их основе изготавливать широкую номенклатуру изделий для различных областей применения, например, волокнистых

армированных пластиков, фильтров, канатов, специальной и спортивной одежды и т.п. [4]. Ежегодная потенциальная емкость рынка РФ в мультифиламентных непрерывных

сверхмодульных полиэтиленовых волокнах оценивается в пределах 700т. [4]. Однако основным недостатком этих волокон является высокая инертность поверхности (гидрофобность), что затрудняет возникновение межфазного

взаимодействия на границе раздела фаз (компонентов) при различных технологических процессах, поэтому регулирование их поверхностных свойств (смачиваемости,

капиллярности) является актуальной задачей

Опытные образцы волокон готовили кручением мультифиламентных полиэтиленовых

волокон на лабораторном круткомере марки КУ-500 с сообщением волокнам величины крутки, равной 40, 80, 120, 160, 200, 240, 280 кр/м.

Исходные и крученые образцы исследовались на впитывающую способность деионизованной воды в соответствие с ГОСТ 29104.11-91. За значение высоты подъема жидкости по капиллярам принимали среднее арифметическое результатов девяти измерений, вычисленное с погрешностью не более 1 мм.

Физико-механические характеристики при одноосном растяжении исходных и крученых волокон оценивали на разрывной машине марки РМ 50.

Методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (ЛСМ) исследовалось состояние поверхности волокон на микроскопе модели OLS 4100 LEXT фирмы Olympus (Япония).

Результаты исследования

Полученное изображение исходного

филамента мультифиламентного непрерывного

полиэтиленового волокна представлено на рисунке 1.

Рис. 1 - Исходный образец мультифиламентного непрерывного полиэтиленового филамента (х125)

Анализ изображения показывает, что поверхность образца достаточно ровная, аморфно-кристаллическая, с гош-транс переходами. Диаметр одного филамента колеблется в пределах 17-20 мкм, следовательно, для волокна характерна полидисперсность. Условный диаметр исходного мультифиламентного полиэтиленового волокна находится в пределах 480 - 565 мкм. Измеренный краевой угол смачивания составляет 117°, т.е. в исходном состоянии исследуемое волокно -гидрофобное.

Внешний вид волокна после операции кручения представлен на рисунке 2.

Приведенный внешний вид крученых волокон свидетельствует о процессах изгиба и скольжения мультифиламентов волокна относительно друг друга под действием радиальных сил в процессе крутки и об уменьшении диаметра волокна с увеличением величины крутки (максимальное уменьшение - до

14%). Изменение значения диаметра волокна связано с уплотнением элементарных филаментов в волокне и вытеснением воздуха из межфиламентного пространства [5].

б

Рис. 2 - Внешний вид крученых мультифиламентных полиэтиленовых волокон (а - п=80кр/м, б - п=200кр/м)

Зависимость величины впитывающей способности мультифиламентного непрерывного полиэтиленового волокна от значения его крутки приведена на рисунке 3.

Н, мм

n, кр/м

Рис. 3 - Зависимость величины пропитки водой мультифиламентных непрерывных

полиэтиленовых волокон от значений крутки

Представленная зависимость

свидетельствует о доступности поверхности капилляров (смачивании и диффузии) для молекул воды и наличия экстремума впитывания жидкости при значении крутки, равной 140-160 кр/м, которое является критическим для данных волокон.

Подъем жидкости по капиллярам мультифиламентных полиэтиленовых волокон можно объяснить на данном этапе исследования образованием двойного электрического слоя на внутренней поверхности капилляров, изменяющим поверхностное натяжение на границе фаз.

Уменьшение впитывающей способности волокон при увеличении значения их крутки связано, вероятно, с несоразмерностью диметра капилляров и диаметра молекулы воды, а также с образованием тупиковых капилляров.

Исследование прочности крученых мультифиламентных полиэтиленовых волокна при одноосном растяжении (при п=140-160 кр/м) показало, что их прочность увеличивается на величину порядка 7%, что, по-видимому, связано с погрешностью эксперимента.

Таким образом установлено, что мультифиламентные непрерывные полиэтиленовые волокна приобретают гидрофильные свойства при кручении, при этом их прочностные свойства остаются, практически, на исходном уровне.

Исследование выполнено при поддержке

Министерства образования и науки Российской

Федерации, проект № 1779.

Литература

1. В.А. Браславский. Капиллярные процессы в текстильных материалах. М.: Легпромбытиздат, 1987, 112с.

2. М.М Дубинин. Поверхность и пористость адсорбентов. Основные теории физической адсорбции. М.: Москва 1970. С.251-269.

3.К.Е. Перепелкин. Структура и свойства волокон. М.: 1985, 208с.

4. ЦНИАП Анализ российского рынка нитей из СВМПЭ. ООО «Центр инвестиционно-промышленного анализа», н/ц «Черноголовка», 2013г

5. И.А. Гришанова, О.С. Мигачева. Вестник технологического университета, 17, 83- 85.(2014)

6. О.М. Пшеннова, К.Н. Ушакова. Химические волокна, 4, 39-41 (2001)

© И. А. Гришанова - к.т.н., доц. каф. МТ, КНИТУ, 314199@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р. техн. наук, проф., КНИТУ; М. Ф. Шаехов - - д-р. техн. наук, проф., КНИТУ.

© I. Grishanova - PhD. Department. MT KNRTU, 314199@mail.ru, I. Abdullin - Doctor of Technical Sciences, Full Professor KNITU; M. Shaehov - Doctor of Technical Sciences, Full Professor KNRTU.