CC BY
81
Ф. С. Шарифуллин, И. Ш. Абдуллин, А. П. Кирпичников,
М. Н. Сагдеев
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЫ И НДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ И АНТИСТАТИКА ЦПХ НА ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ВОЛОСЯНОГО ПОКРОВА МЕХОВОЙ ОВЧИНЫ
Ключевые слова: волосяной покров, высокочастотная индукционная плазма, статическое электричество, антистатик, плотность электрических зарядов, напряженность электростатического поля. scalp, high-frequency induction plasma, static electricity, antistatic, density of electric charges, intensity of an electrostatic field.
В статье приведены результаты исследований влияния высокочастотной индукционной плазмы пониженного давления с применением антистатика ЦПХ на электризуе-мость меха в зависимости от режимов обработки. Установлен режим плазменной обработки G=0,04 г/с, Wp=1,5 кВт, Р =26,6 Па, t=3 мин позволяющий создавать условия на поверхности меха, при которых напряжённость электростатического поля и плотность электрических зарядов равны нулю. In clause results of researches of influence of high-frequency induction plasma of the lowered pressure with application of antistatic CPH on electricity furs depending on modes of processing are resulted. The mode of plasma processing G=0,04 g/w, Wp=1,5 kw, Р=26,6 Pа is established, t=3 mines allowing to create conditions on the surfaces of fur leading that intensity of an electrostatic field and density of electric charges to equally zero.
Введение
С наступлением теплых зим, характерных для России в последние годы, меховая промышленность создает изделия из меха, которые благодаря новой технологии и изысканности дизайна, можно одевать при плюсовой температуре. Изделия из овчины могут быть удивительно легкими, теплыми и практичными, но в тоже время новая технология проводит к сильной электризации волосяного покрова меха. Для того чтобы избежать статической электризации или её нежелательных проявлений, необходимо выявить первичный процесс, ответственный за статические разряды [1].
Волос является плохим проводником электрического тока и обладает трибоэлектрическими свойствами, т. е. при трении способен накапливать на поверхности статические заряды. При соприкосновении (трении) материалов на их поверхности протекает одновременно два процесса: процесс генерации (возбуждения, возникновения) зарядов статического электричества определенной полярности и процесс диссипации (рассеивания) зарядов. Электризация тел обнаруживается, когда равновесие между этими процессами нарушается.
В настоящее время окончательной теории, объясняющей электризацию тел, не существует. Наибольшее распространение получила теория, рассматривающая электризацию как результат перехода носителей зарядов (электронов или ионов) с одной контактирующей поверхности на другую. При соприкосновении диэлектрика, в частности, волокна с металлом, с поверхности последнего сходят электроны, имеющие определенный уровень энергии, и «прилипают» к поверхности диэлектрика, сообщая ему отрицательный заряд. Однако на практике волокна при соприкосновении с металлами могут заряжаться как отрицательно (например, поливинилхлоридные волокна, нитрошелк, фторлон), так и положительно (капроновые, лавсановые, вискозные, природные волокна). Электризацию ди-
электрика положительными зарядами в этом случае объясняют присутствием на его поверхности электронов, способных при определенных условиях, покидая диэлектрик, оставлять «дырки», которые можно рассматривать как положительные заряды. В результате отрицательные электроны и положительные «дырки» образуют между контактирующими поверхностями двойной электрический слой [2].
Для изменения данной ситуации и решения проблемы накопления статического электричества на поверхности волосяного покрова меховой овчины используются как традиционные, так и альтернативные методы.
Традиционные способы обработки натурального меха основаны на применении новых химических материалов. Недостатками методов химического воздействия являются ухудшение экологичности процесса, отрицательное влияние на санитарно-гигиенические условия труда, высокая цена препаратов, кроме того, действие химических реагентов ограничено во времени. В связи с этим, актуальной задачей меховой промышленности является разработка технологии позволяющая обеспечить максимальное стекание зарядов статического электричества с поверхности волосяного покрова меха. Для решения данной задачи наибольший интерес вызывает исследование возможности применения высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда пониженного давления. Данный вид разряда позволяют проводить объемную обработку капиллярно-пористых материалов, изменять шероховатость поверхности, в результате чего уменьшается коэффициент трения и увеличивается стекание зарядов статического электричества, образующихся при трении. Исходя из вышеизложенного, в работе поставлена следующая задача: изменение свойств поверхности волосяного покрова меха, с применением плазмы ВЧИ разряда пониженного давления и антистатика ЦПХ, обеспечивающих максимальное стекание зарядов статического электричества.
Экспериментальная часть
Для получения индукционного разряда использовалась ВЧИ-плазменная установка, схема которой приведена на рисунке 1.
Рис. 1 - Схема ВЧИ-плазменной установки: 1 - колба для раствора; 2 - игольчатый клапан; 3 - механическая система откачки; 4 - система электроснабжения; 5 - система газоснабжения; 6 - система водоснабжения; 7 - генератор; 8 - система диагностики; 9 -вакуумный блок; 10 - индуктор
Обработка изделий при пониженных давлениях накладывает определенные условия на оборудование, в частности на материал вакуумного блока и подколпачной арматуры.
Они должны обладать высокой вакуумной плотностью, низким газосодержанием, легким обезгаживанием, хорошими свариваемостью с образованием вакуумно-плотного соединения и обрабатываемостью.
В базовой плите вакуумной камеры проточены отверстия, позволяющие закреплять плазмотроны различной формы и размеров.
Для создания ВЧИ-разряда использовался плазмотрон. В качестве индуктора используется 3-х витковая катушка индуктивности, изготовленная из медной трубки. Высокочастотный индукционный плазмотрон состоит из основных частей: базовая плита; уплотнительная прокладка; прижимной фланец; разрядная камера; рубашка охлаждения; индуктор. Внутренний диаметр индуктора - 58 мм, диаметр разрядной камеры - 24 мм, диаметр рубашки охлаждения - 40 мм, длина индуктора - 58 мм, длина разрядной камеры 300 мм. Разрядная камера располагается под углом 90° к базовой плите. Индуктор охлаждается водой. Плазмотрон устанавливается в отверстии базовой плиты при помощи фланца. Для герметизации используется уплотнительное кольцо из вакуумной резины. Система питания плазмотрона рабочим газом состоит из баллона со сжатым газом, редуктора для понижения давления, образцового манометра и ротаметра типа РМ-3 для определения расхода газа, игольчатого натекателя для регулирования расхода и устройства для получения смеси газов. Повышенная стабильность расхода газа обеспечивается использованием буферной емкости. Нагрев и ионизация рабочего газа в плазмотроне осуществляется высокочастотным электромагнитным полем индуктора, подключенного к ламповому генератору. Высокочастотный генератор собран по одноконтурной схеме. Техническая характеристика генератора: потребляемая мощность - до 10 кВт, частота - 1,76 МГц.
Вакуумная камера создана на базе промышленной установки, предназначенной для нанесения тонких слоев металлов и диэлектриков в вакууме. Механическая система откачки состоит из двух насосов: механического типа НВЗ-5 и двухроторного - типа АВР-50 со скоростями откачки от 5 до 50 л/с. Для улавливания посторонних примесей к насосам присоединена ловушка.
Система водоснабжения установки служит для обеспечения заданного теплового режима ее деталей и узлов. Охлаждение проточное, содержит манометр для контроля давления в системе, также имеются блокировки на случай резкого отключения воды и перегрева наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов, системы контроля расхода жидкости для охлаждения генераторной лампы, индуктора и разрядной камеры. Подвод воды к установке и отвод ее осуществляются при помощи резиновых шлангов.
Принцип работы ВЧИ-плазменной установки основан на ионизации плазмообразующего газа под действием электромагнитного поля индуктора. При достижении рабочего пониженного давления в вакуумную камеру подавался плазмообразующий газ. При подаче на индуктор ВЧ-напряжения, в разрядной камере образуется плазменный сгусток, при продуве через который плазмообразующий газ образует плазменную струю - инструмент обработки. Для регулирования трибоэлектрических свойств применялось специально разработанное приспособление, обеспечивающее получение и подачу в разрядную камеру смеси плазмообразующего газа и антистатика ЦПХ в необходимых концентрациях [3].
Антистатик ЦПХ - продукт для производства кожи и меха. Смесь производных ал-киламина и гексиленгликоля.
Входные параметры плазменной установки изменялись в следующих диапазонах: расход плазмообразующего газа 0=0,04-0,06 г/с, мощность разряда Wp=1,4 - 1,9 кВт, частота генератора f= 1,76 МГц ± 10%, давление в вакуумной камере Р=13,3-26,6 Па, время обработки 1=1-10 мин.
Оценку электростатических характеристик меха при электризации проводились по величине напряженности электростатического поля, плотности электрических зарядов, знака заряда, которые определялись с помощью прибора ИЭЗП (рис. 2).
Рис. 2 - Измеритель электростатических зарядов переносной: 1 - переключатель диапазона измерений; 2 - крыльчатки статора и ротора; 3 - крышка предназначенная для измерения напряженности электростатического поля; 4,5 - отверстия для калибровки прибора; 6 - гнездо для подключения соединительного привода во время поверки прибора; 7 - клавиша для определения знака заряда; 8 - клавиша включения прибора; 9 - окно ручки прибора для аккумулятора; 10 - поджимное устройство аккумулятора; 11 - крышка; 12 - изоляторы; 13 - крышка предназначенная для измерения поверхностной плотности электрических зарядов; 14 - отверстия для подключения провода при поверке определения знака заряда; 15 - измерительный прибор; 16 - клавиши для контроля состояния аккумуляторной батареи; 17 - ручка; 18 - вход усилителя
Прибор ИЭЗП предназначен для измерения напряжённости электростатического поля вблизи плоских заряженных поверхностей в интервале от 40 до 5000 В/см, поверхностной плотности электрических зарядов в интервале (0,2-1,0)^ 10-5 и определения знака заряда Технические характеристики прибора ИЭЗП приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Технические характеристики прибора ИЭЗП
Наименование Величина
Диапазон измерений:
- напряжённость электростатического поля, В/см - поверхностной плотности электрических зарядов, Кл/м2 Предел допускаемой основной погрешности, % Время установления рабочего режима, с Напряжение встроенного источника питания, В Потребляемый ток, мА, не более Рабочий диапазон температур, °С Габаритные размеры, мм Масса, кг, не более 40-200; 200-1000; 1000-5000 (0,2-1,0) х10-5 ±5 10 8,5...10,0 50 от 0 до +40 208x205x75 1,2
В основу работы прибора положен принцип генераторного вольтметра (вольтметр с вращающимся сектором диском - ротором).
Прибор измеряет составляющую электростатического поля, перпендикулярно плоскости переднего среза (крышки). Показание прибора соответствует напряженности поля в этой плоскости.
Все измерения проводились в одинаковых условиях: температура воздуха 22+1 С0, при относительной влажности 65+2 %, давление - атмосферное нормальное. Для измерения влажности использовался психометр.
Результаты исследований
Для исследования закономерностей плазменного воздействия на трибоэлектрические свойства волосяной покров меховой овчины определяли такие показатели как: диэлектрическая проницаемость, напряжённость электростатического поля, поверхностная плотность электрических зарядов и знак заряда.
Режим обработки низкотемпературной плазмой выбран с учётом того, что энергия частиц не превышает 70 эВ, температура - 50 0С. Поэтому деструкции кожевой ткани и волосяного покрова не происходило. Измерения проводились в одинаковых условиях: температура воздуха 20+10С, при относительной влажности 61 - 65%, давление - атмосферное нормальное. Влияние плазменной обработки на параметры электрических свойств волосяного покрова меха представлены в таблице 2.
Измерение параметров электрических свойств волосяного покрова меха показали, что ВЧИ-плазменная обработка в парогазовой среде антистатика приводит к изменению напряжённости электростатического поля, знака заряда и плотности электрических зарядов меха. При плазменной обработке происходит поверхностная переориентация диполей макромолекул, под действием электромагнитного поля и положительно заряженных ионов. В результате этого возникает определенный поверхностный потенциал, величина которого зависит именно от наличия дипольных моментов в функциональных группах макромолекул, характера их расположения на поверхности тела и от плотности тела.
Таблица 2 - Электрические свойства меховой овчины после обработки плазмой ВЧИ-разряда и антистатика ЦПХ (Одг=0,04 г/с, Р=26,6 Па 1=3 мин, Оантистатика=0,01 г/с)
Готовый п/ф меховой овчины Wp, кВт Напряжённость электростатического поля, В/см Знак заряда Плотность электрических зарядов, Кл/м2
до трения после трения до трения после трения
1 образец 1,4 0 4 - 0 3
2 образец 1,5 0 0 - 0 0
3 образец 1,6 9 11 - 4 4
4 образец 1,7 6 14 - 3 6
5 образец 1,8 8 23 - 4 11
6 образец 1,9 14 25 - 7 12
Контрольный 5 26 + 2 14
Установлено, что плазменная обработка в режиме 0Аг=0,04 г/с, Wp=1,5 кВт, Р=26,6 Па, 1=3 мин, Сантистатика=0,01 г/с позволяет создать условия на поверхности меха, приводящие к тому, что напряжённость электростатического поля и плотность электрических зарядов равны нулю. Это повышает потребительскую ценность меховых изделий, а
так же обеспечивает наилучшие товарные характеристики меха: волосяной покров становится рассыпчатым, более упругим, эластичным и менее подверженным внешним воздействиям.
Литература
1. Правила защиты от статического электричества в производствах химичкой, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности // Сб. ВНИИ техники безопасности в химической промышленности. - М.: Химия, 1973. - 61 с.
2. Изгородин, А.К. Электризация волокнистых материалов / А.К. Изгородин, А.П. Семикин. -Иваново: Изд-во Ивановской госуд. текстильной акад., 2002.- 184 с.
3. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов.- Казань: Изд-во Казанского университета, 2000. - 348 с.
4. Технологические схемы обработки пушно-мехового сырья // Каталог компании Lowenstein, -Киров, 2006. - 271 с.
© Ф. С. Шарифуллин - канд. техн. наук, доц. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; А. П. Кирпичников - д-р физ.-мат. наук, проф., зав. каф. интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами КГТУ; М. Н. Сагдеев - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ. Б-таі1:Ткіт1@к8Іи.ги
