CC BY
37
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 678.5:665.9
Е.В. Жилина, В.И. Бесшапошникова, С.Е. Артеменко, О.М. Сладков ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ФОРМОВАНИЯ АКРИЛОВЫХ ТЕРМОКЛЕЕВЫХ ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Разработан новый клеевой прокладочный материал на основе акриловых соединений. Проведена оптимизация технологического процесса производства клеевой пленки. Установлена зависимость свойств материала от параметров процесса формования. Определены области применения разработанных материалов в производстве одежды.
E.V. Zhilina, V.I. Besshaposhnikova, S.E. Artemenko, O.M. Sladkov OPTIMIZATION OF FORMATION PARAMETERS OF ACRYLIC THERMOADHESIVE FILM MATERIALS
New adhesive interlayer material based on acrylic joints are given in this article. Optimization of the technological process of adhesive film production was conducted in the research. As a result the dependence of material properties on formation process parameters was established. Application spheres of the developed materials in a process of cloths making were defined here.
В различных областях производства все большее распространение получают акриловые клеевые композиции и их сополимеры. Свойства и область применения акриловых сополимеров зависят от типа концевых групп (метакриловых или акриловых), от количества и вида сореагентов, от природы и молекулярной массы блоков, составляющих основную цепь макромолекул смолы и условий протекания реакции полимеризации [1]. Изменение состава сополимера позволяет расширить ассортимент акриловых смол, однако, адгезионные и когезионные свойства таких композиций, определяющие их физико-механические и эксплуатационные свойства, в настоящее время изучены недостаточно, что снижает эффективность и ограничивает область их использования.
Поэтому целью данной работы являлись разработка технологии получения термоклеевых прокладочных материалов на основе акриловых сополимеров разного состава и определение эффективных областей их применения.
Перспективным направлением развития и совершенствования технологии изготовления швейных изделий является использование клеевых методов соединения деталей одежды [2]. Однако недостаточно широкий ассортимент термоклеевых прокладочных материалов
(ТКПМ) сдерживает этот процесс. Поэтому нами изучалась возможность расширения ассортимента ТКПМ за счет применения порошков марки АКР-622, АКР-226 и АКР-218, представляющих собой сополимеры акриловых соединений разного состава.
ТКПМ получали в виде термопластичной полимерной пленки (ТПП). Для получения ТПП навески порошков АКР-622, АКР-226 и АКР-218 равномерно распределяли по поверхности антиадгезионной полиэтилентерефталатной подложке. С целью повышения качества и однородности пленки порошки фиксировали на подложке. Фиксацию порошков на подложке осуществляли в термошкафу. Параметры термофиксации были выбраны с учетом температуры плавления акриловых порошков. Экспериментально установили, что для фиксации акриловых порошков на подложке необходимо образцы выдержать в термошкафу в течение 90-100 с при температуре 125-130°С для АКР-622 и при температуре 160-165°С - для АКР-218 и АКР-226.
Акриловые полимерные пленки получали на каландре «Repiquet» (Франция). При этом переменными параметрами процесса формирования структуры акриловых пленок являлись: температура нагрева валов каландра, давление между валами и время прохождения образцов между валами.
При выборе режимов процесса получения акриловых пленок применяли метод математического планирования эксперимента - полный трехфакторный эксперимент (ПФЭ) [3].
На основании данных предварительного эксперимента, характеристик исходных материалов и технических характеристик оборудования, основными параметрами оптимизации были выбраны три фактора: Х1 - давление, МПа; Х2 - температура, °С; Х3 - время, с. В качестве выходных параметров выбраны показатели: Y\ - поверхностная плотность пленок, г/м2; Yг - прочность пленок при разрыве, даН; Y3 - жесткость пленок, сН.
Данные предварительного эксперимента показали, что акриловое соединение АКР-226 непригодно для изготовления термоклеевого пленочного прокладочного материала для одежды, так как характеризуется высокой жесткостью и хрупкостью и низкой эластичностью. Поэтому его исключили при проведении дальнейших исследований.
ПФЭ проводили с помощью программного обеспечения на ПК. Получили математическое описание процесса в виде уравнений регрессии:
Для АКР-622:
Ух = 185,49 - 4,71 Хх - 40,01 Х2 - 36,36 Х3 - 6,06 ХхХ2 - 26,64 Х2Х3 + 2,21 Хх Х3
У2 = 14,39 + 0,44 Х1 + 4,56 Х2 - 0,91 Х2 Х3
У3 = 19,92 - 0,4 Х1 - 10,27 Х2 - 3,05 Х3 - 0,85 Х2 Х3
Для АКР-218:
У1 = 190,98 - 7,4 Х1 - 41,2 Х2 - 37,15 Х3 - 3,53 Х1Х2 - 27,63 Х2Х3 + 2,88 Х1Х3
У2 = 15,94 + 0,71 Х1 + 4,19 Х2 - 0,96 Х2 Х3
У3 = 19,29 - 0,54 Х1 - 9,69 Х2 - 2,59 Х3 + 0,44 Х1Х2 - 1,21 Х2 Х3
Полученные уравнения регрессии адекватны.
Оптимизацию параметров процесса получения ТПП проводили симплексным методом. Величины матрицы исходного симплекса определяли по формулам:
1 Rt = iki, (1)
2 i (г +1)
где г - номер фактора в матрице планирования эксперимента.
У словия начальной серии опытов представлены в табл. 1.
Символом «0» обозначены координаты центра плана, то есть основной уровень. Пользуясь формулой: хг=хог+Дхг\Х-, (где Дх - масштаб по оси Хг - кодированной переменной) и данными табл. 1, рассчитали матрицу исходной серии опытов в физических величинах. Полученные результаты представлены в табл. 2 и 3.
Таблица 1
Условия начальной серии опытов
Номер опыта Хі Х2 Х3
1 0,5 0,289 0,204
2 -0,5 0,289 0,204
3 0 -0,578 0,204
4 0 0 -0,612
Таблица 2
Условия и результаты планирования по симплексному методу для АКР-622
№ опыта Х1 Х2 Хэ Функции отклика
У2 П
1 27,5 132,89 6,408 161,93 15,87 16,08
2 22,5 132,89 6,408 167,95 15,43 16,48
3 25 124,22 6,41 204,34 11,86 25,34
4 25 130 4,74 208,46 14,39 18,05
5 25 139,6 5,29 101,2 18,36 7,8
6 25,25 141,6 7,39 90,1 15,6 5,7
7 29,6 144,5 6,4 81,32 9,4 6,2
8 22,5 132,9 6,4 167,9 15,4 16,5
Таблица 3
Условия и результаты планирования по симплексному методу для АКР-218
№ опыта Х1 Х2 Х3 Функции отклика
У2 П
1 27,5 182,89 6,408 165,95 17,44 15,68
2 22,5 182,9 6,408 173,79 16,7 16,09
3 25 174,2 6,41 210,45 13,63 24,5
4 25 180 4,74 213,68 15,94 20,79
5 25 189,6 5,29 172,4 17,9 17,2
6 25,25 190,2 7,39 151,2 17,1 15,8
7 29,6 192,2 6,4 149,12 12,23 18,1
8 22,5 182,9 6,4 173,8 16,7 16,1
Условия опыта № 5 и всех последующих находили по формуле:
2 п+1
хг = - Е (хц - хг) - хг , (2)
п }=1
где п - число факторов в матрице планирования; ] - номер опыта; г - номер фактора; х* -
значение г-го фактора в самом неудачном опыте предыдущего симплекса.
Полученные результаты оптимизации представлены в табл. 2 и 3.
Сравнивая между собой результаты первых четырех опытов, видим, что самый плохой результат в третьем опыте, низкая прочность при разрыве и высокая жесткость при изгибе образцов, табл. 2 и 3. Этот опыт следует исключить из дальнейшего рассмотрения, заменим его опытом № 5. В полученном новом симплексе самым неудачным является опыт № 4,
заменим его опытом № 6. В новом симплексе самым неудачным является опыт № 2, заменим его опытом № 7. Оптимизацию ведем до опыта № 7, так как новый шаг, опыт № 8, возвращает нас в предыдущую точку факторного пространства. Следовательно, экстремум критерия оптимальности достигнут.
Таким образом, с учетом основных показателей свойств разработанных материалов, оптимальными параметрами технологического процесса являются:
для пленочного материала на основе АКР-622
- с высокой жесткостью: давление 25 МПа, температура каландра 130°С, время формования 4,74 с;
- с пониженной жесткостью: давление 25,25 МПа, температура каландра 141,6°С, время формования 7,39 с;
- средней жесткости: давление 25 МПа, температура каландра 139,6°С, время формования 5,29 с;
для пленочного материала на основе АКР-218
- с высокой жесткостью: давление 25 МПа, температура каландра 180°С, время формования 4,74 с;
- с пониженной жесткостью: давление 25,25 МПа, температура каландра 190,2°С, время формования 7,39 с;
- средней жесткости: давление 25 МПа, температура каландра 189,6°С, время формования 5,29 с.
По разработанной технологии [4] были получены ТПП. Физико-механические свойства ТПП, полученных при различных технологических параметрах процесса производства, представлены в табл. 4 и 5.
Таблица 4
Влияние параметров процесса формования на физико-механические свойства ТПП
на основе АКР-622
№ опыта Параметры техпроцесса Физико-механические свойства
Давление, МПа Температура, °С Время, с Поверхностная плотность, г/м2 Прочность при разрыве, даН Жесткость при изгибе, сН
1 25 130 4,7 208,46 14,39 18,05
2 25 139,5 5,3 101,2 18,36 7,8
3 25 141,5 7,4 90,1 15,6 5,7
4 15 140 6 212 13,9 18,4
5 20 130 6 215 13,1 18,7
6 30 125 6 211 9,5 28
7 40 120 6 208 11 27
8 40 140 6 79 14,02 5,4
Установлено, что для полимера АКР-622 температура валов каландра должна быть 130-142°С, а для АКР-218 - 180-190°С, то есть на 40-50° выше температуры плавления полимера. При более низкой температуре ухудшается внешний вид ТПП, появляется неравномерность по толщине. При более высокой температуре начинается сильное течение полимера и растекание по поверхности подложки.
Изменяя давление между валами каландра от 15 до 40 МПа, получали материал разной толщины и жесткости. При давлении меньше 15 МПа не удается получить качественную поверхность ТПП, структура материала немонолитная, наблюдаются участки неполного плавления и растекания полимера, что приводит к неравномерности пленочного материала по толщине. При давлении более 40 МПа происходит нарушение целостности материала, появляются трещины, полимер с подложкой зажевываются валами каландра.
Таблица 5
Влияние параметров процесса формования на физико-механические свойства ТПП
на основе АКР-218
№ опыта Параметры техпроцесса Физико-механические свойства
Давление, МПа Температура, °С Время, с Поверхностная плотность, г/м2 Прочность при разрыве, даН Жесткость при изгибе, сН
1 25 170 8 249 11,0 31,4
2 25 189,6 5,3 175,0 18,2 17,1
3 25 190,2 7,4 149,2 17,8 15,6
4 30 190 8 93,8 19,4 5,9
5 20 190 6 145,3 18,1 15,1
6 30 190 4 152,1 13,8 17,9
7 40 170 4 234,2 11,4 29,3
8 40 170 8 222,4 14,2 26,7
Из полученных результатов видно, что лучшими показателями прочности характеризуются материалы, полученные по оптимальным режимам в соответствии с данными ПФЭ. При этом следует отметить, что значения показателей физико-механических свойств ТПП экспериментальные и определенные математически с применением ПФЭ, отличаются незначительно, табл. 2-3, и табл. 4-5.
Таким образом, в результате проведенных исследований определены оптимальные параметры технологического процесса получения ТПП на основе акриловых сополимеров АКР-622 и АКР-218.
Установлено, что, изменяя параметры технологического процесса, можно выпускать ТПП высокой, средней и пониженной жесткости, это позволит расширить ассортимент ТКПМ.
Полученные образцы акриловых ТПП характеризуются высокими показателями физико-механических свойств: прочностью при разрыве 15-20 даН, жесткостью от 5 до 20 сН, поверхностной плотности 80-220 г/м .
Изучение потребительских свойств ТПП разной поверхностной плотности показало, что акриловые ТПП обладают высокой адгезией к текстильным материалам. Прочность клеевого соединения в 2,2-3,5 раза превышает нормативные требования (не менее 3 Н/см).
Клеевые соединения не устойчивы к действию трихлорэтилена при химической чистке. После пятикратной химчистки прочность клеевого соединения снижается на 43-46%. Нормативные требования допускают снижение прочности клеевого соединения не более 20%. Следовательно, акриловые ТПП не выдерживают условия химчистки, поэтому не могут использоваться в производстве верхней одежды, подвергающейся в процессе эксплуатации и ухода химчистке.
Однако в условиях стирки прочность клеевых соединений не только не снижается, но даже повышают на 22-36 %, что позволяет рекомендовать применять их в качестве прокладок в производстве легкой одежды, а также швейных изделий технического назначения: тентов, палаток и т.п.
ЛИТЕРАТУРА
1. Елисеева В.И. Полимерные дисперсии. М.: Химия, 1980. 296 с.
2. Кокеткин П.П. Одежда. Технология - техника, процессы - качество. М.: МГУДТ, 2001. 555 с.
3. Саутин С.Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. М.: Химия, 1975. 48 с.
4. Патент № 2228692 Российская Федерация. Способ получения термоклеевого прокладочного материала / В.И. Бесшапошникова, О.М. Сладков, С.Е. Артеменко, Е.В. Жилина. Заявлено 28.11.02. Опубл. 10.05.04. Бюл. № 14. Ч.2. С.233-234.
Жилина Елена Владимировна -
аспирант заочной формы подготовки,
старший преподаватель кафедры «Технология и конструирование швейных изделий»
Энгельсского технологического института
Саратовского государственного технического университета
Бесшапошникова Валентина Иосифовна -
кандидат технических наук, доцент,
докторант кафедры «Технология и конструирование швейных изделий»
Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета
Артеменко Серафима Ефимовна -
доктор технических наук, профессор кафедры «Химическая технология»
Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета
Сладков Олег Михайлович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология»
Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета
