CC BY
14
УДК 687.023:678.7
И. Ш. Абдуллин, Р. Г. Ибрагимов, О. В. Вишневская, Н. В. Осипов, В. В. Вишневский
ОПТИМИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
МЕМБРАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: плазма, параметры модификации, мембранный материал, паропроницаемость.
Одним из наиболее перспективных и удобных методов модификации поверхностных свойств материалов с мембранным покрытием является плазменная обработка. В данной статье приведены результаты оптимизации параметров плазменной модификации мембранных материалов.
Keywords: plasma parameters modification, the membrane material, water vapor permeability.
One of the most promising and convenient method of modifying the surface properties of materials with the membrane coating is a plasma treatment. This article summarizes the results of optimization of parameters of plasma modification of membrane materials.
Инновации в области нанотехнологий и нанома-териалов все чаще становятся тенденциями для развития прогрессивного рынка текстильной промышленности. Высокий спрос на изделия из многофункциональных мембранных материалов увеличивает рост производства материалов с покрытиями. Сегодня уже невозможно представить одежду для активного вида спорта, рыбалки и охоты без использования мембранных технологий, которые уже начали применятся для изготовления одежды специального назначения. Благодаря сочетанию водоупорности и паропроницаемости материалы с мембранным покрытием становятся незаменимыми в неблагоприятных погодных условиях, таких как сильный ветер, дождь, снег. Спецодежда позволяет регулировать тепловое состояние организма, предохраняя его от переохлаждения и перегревания, поэтому она должна быть паро- и воздухопроницаема, а также удовлетворять определенным эксплуатационным требованиям: быть эргономичной, удобной, достаточно прочной и эластичной. Правильно подобранная для определенных условий спецодежда способствует предупреждению травм и профессиональных заболеваний [1].
Часто для более эффективного применения мембранных материалов необходима их модификация и возможность повышения паропроницаемости поверхности мембраны. Паропроницаемость является чрезвычайно важным параметром для одежды из материалов с мембранным покрытием, без которого невозможен комфорт и эргономичность изделий.
В качестве объекта исследования выбран многофункциональный материал ткани основы ткань Премьер Protect 170 из 100% полиэстера с полиуре-тановым беспористым мембранным покрытием марки Климат 3 производства ОАО «Чайковский текстиль», г. Чайковский.
Обработка тканей проводилась по методике [2] на экспериментальной высокочастотной емкостной (ВЧЕ) плазменной установке. В качестве плазмооб-разующего газа использовалась смесь из аргона и воздуха. Образцы крепили непосредственно на электрод, тканью вниз, чтобы обработке подвергалось только мембранное покрытие. Модификация проводилась при следующих постоянных входных
параметрах ВЧЕ разряда: давление (Р) - 21,6-20,5 Па, мощности - 1000-1500 Вт; расход газа -34,5 мг/с, время обработки - 10-40 мин. Измерение паропроницаемости до и после плазменной обработки проводилось по ГОСТ 22900-78 [3].
Моделирование и оптимизацию параметров плазменной обработки материалов с мембранным покрытием проводили с помощью метода центрального композиционного ротатабельного планирования (ЦКРП) [4]. Данный метод является наиболее наглядным, из-за получающегося уравнения регрессии и пространственного представления интерпретированных значений целевой функции при изучении поверхности отклика и позволяет получать модель, дающую возможность предсказывать значения параметров оптимизации с высокой точностью, несмотря на направления на равных расстояниях от центра плана. Паропроницаемость мембранных тканей являлась выходным параметром данного эксперимента.
Данный план проведения эксперимента получается симметричным относительно центра плана, и возможен благодаря добавлению определенных точек к плану эксперимента («звездные точки», проводимые параллельные опыты в центре плана). Методику оптимизации можно охарактеризовать следующим образом:
- подбирается математическая модель для объекта;
- формируется матрица планирования эксперимента (в конечном итоге проведенного эксперимента по полученной матрице планирования получаются значения целевой функции);
- рассчитываются коэффициенты уравнения регрессии, значимость которых необходимо проверять с помощью ^критерия Стьюдента);
- производится проверка адекватности полученного уравнения по F-критерию Фишера, который сводится к сравнению 2х дисперсий: дисперсии воспроизводимости и дисперсии адекватности.
В настоящей работе с помощью матрицы планирования получается поверхность отклика и контуры поверхности отклика целевой функции при изменении значений мощности и времени обработки.
Составление матрицы можно свести к следующему:
- выбор количества уровней факторов;
- определение количества «звездных» точек;
- определение количества параллельных опытов в центре плана.
В центре плана количество опытов определяется так, чтобы план был достаточно близко к ортогональному.
Получение звездных точек: все координаты кроме одной соответствуют центру плана (равны нулю), а одна координата равна ±а, где а - «плечо» «звездной» точки. Полученные экспериментальные значения паропроницаемости модифицированных мембранных тканей согласно матрице планирования представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Влияние плазменной модификации в ВЧЕ разряде пониженного давления на паропро-ницаемость материала с мембранным покрытием Климат 3
Обработка полученных экспериментальных данных проводиласть с помощью программы Statistica 10.0.
Контуры поверхности отклика и поверхности отклика при изменении значений паропроницаемости, мощности и времени обработки представлены на рисунках 1 и 2.
Из рисунков 1, 2 следует, что экстремум лежит в области эксперимента. Практически центр фигуры является максимумом (рис. 2).
Полученные контуры поверхностей отклика на изменение входных параметров (мощности, времени обработки) дают возможность выбора области модификации для достижения необходимых показателей паропроницаемости мембранных материалов.
Необходимо отметить, что высокие значения па-ропроницаемости материалов с мембранным покрытием могут быть достигнуты при варьировании мощности и времени обработки в достаточно широких диапазонах. Это упрощает контроль модифика-
ции при внедрении плазменной обработки в процесс получения многослойного материала.
Рис. 1 - Поверхность отклика на плоскости в зависимости от значений паропроницаемости, мощности и времени обработки
-ZUU и ¿UU 4UU OUU OUU LIJU IZUU ■■ U U IOUU J J J -]7-][|
Рис. 2 - Контуры поверхности отклика в зависимости от значений паропроницаемости, мощности и времени обработки
Литература
1. Романов, В.Е. Системный подход к проектированию специальной одежды.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981,- 128 с.
2. Абдуллин, И.Ш., Ибрагимов, Р.Г., Зайцева, О.В., Вишневский, В.В., Осипов, Н.В. Гидрофобизация поверхности материалов с мембранным покрытием с помощью плазменной обработки / Вестник Казанского технологического университета. 2014. №19. С 47-49.
3. Абдуллин И.Ш., Нефедьев Е.С., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В., Вишневский В.В., Осипов Н.В. Регулирование эксплуатационных свойств тканей с мембранным покрытием / Вестник Казанского технологического университета. 2014. № 12.С. 34-36.
4. Ибатуллина А. Р., Сергеева Е. А. Оптимизация параметров плазменной модификации арамидных волокон/ Вестник Казанского технологического университета. 2013. №17. С 130-131.
Параметры обработки Паропроницаемость, г/м2 за 24 часа
Wp, Вт т, мин
Без модификации 1740
1000 10 1820
1000 15 1795
1000 20 1782
1000 40 1754
1000 40 1754
1500 15 1955
1500 10 1810
1500 10 1810
1500 10 1810
1700 10 1745
1700 10 1745
1700 10 1745
© И. Ш. Абдуллин, д.т.н., профессор; Р. Г. Ибрагимов, к.т.н. доцент кафедры ТОМЛП КНИТУ, [email protected], О. В. Вишневская - аспирант кафедры ПНТВМ КНИТУ, [email protected], Н. В. Осипов, магистр группы 435-М3, кафедры ПНТВМ, В. В. Вишневский, магистр группы 435-М3, кафедры ПНТВМ КНИТУ.
© 1 Sh. Abdullin, professor, R. G. Ibragimov, Ph.D. associate professor the department of TEMLI KNRTU; O. V. Vishnevskaya, postgraduate student the department PNTMC KNRTU; N. V. Osipov, magister group 435-M3, the department PNTMC KNRTU; V. V. Vishnevskiy, magister group 435-M3, the department PNTMC KNRTU.
