CC BY
33
ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 677.017
В. В. Хамматова, Р. Ф. Гайнутдинов
ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ИСПЫТАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СПЕЦИАЛЬНОЙ ОДЕЖДЫ*
Ключевые слова: плазма, прочность, наноструктурирование, экспериментальный образец специальная одежда, текстильный материал, хлопок.
В статье рассматриваются вопросы, связанные с разработкой электрофизического метода наноструктури-рования натурального текстильного материала из хлопка с использованием потока неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления, который обладает следующими преимуществами: эффективно и устойчиво изменяет поверхностные свойства образца, при этом не ухудшая объемные характеристики, не нагревает материал до температуры, вызывающей его расплавление или деструкцию. Одним из основных показателей определяющих качество наноструктурированных тканей для специальной одежды с содержанием натуральных волокон являются механические характеристики, такие как: разрывная нагрузка и относительное разрывное удлинение. Проведены исследовательские испытания механических характеристик материалов, необходимых при эксплуатации изделий специального назначения. Поток неравновесной низкотемпературной плазмы.
Keywords: plasma, strength, nanostructuring, experimental piece of special clothing, textile material, cotton.
The article discusses issues related to the development of the electrophysical method of nanostructuring of natural cotton material cotton thread use of non-equilibrium low-temperature plasma of low pressure, which has the following advantages: - effective and sustainable changes the surface properties of the sample, while not compromising volumetric characteristics, heats the material to a temperature causing its melting or destruction. One of the main indicators determining the quality of nanostructured fabrics for special clothes containing natural fibres are the mechanical characteristics, such as: breaking load breaking strength and relative elongation. Research carried out tests mechanical characteristics of materials required in the operation of the products for special purposes. The flow of non-equilibrium low-temperature plasma.
В современных условиях производства экспериментальных образцов текстильных материалов, важным направлением является выпуск продукции высокого качества вследствие применения современных технологий обработки натуральных материалов легкой промышленности. В настоящее время в текстильном производстве традиционный текстиль уходит в прошлое, а его место занимает «умный» текстиль специального назначения и для его получения используют наукоемкие технологии. Нанотехнологии позволили создать токопроводящие текстильные материалы, которые оказались востребованными не только для военного назначения, но и во многих отраслях мирной жизни. В связи с этим особую значимость приобретают электрофизические поверхностные методы наноструктурирования экспериментальных образцов текстильных материалов, как наиболее эффективные и экономичные способы улучшения механических и физических свойств натуральных материалов [1]. К ним относятся воздействие: электрического или оптического излучения, электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, а также плазменной струи [2, с.51]. Особенностью электрофизических методов наноструктурирования экспериментальных образцов текстильных материалов является то, что электрическая энергия используется без промежуточного ее преобразования в другие
виды энергии непосредственно в рабочей зоне через тепловое, химическое, механическое воздействие [3].
С целью интенсификации ряда технологических процессов текстильного производства и управления их микроструктурой для улучшения физико-механических свойств применяется ультразвуковая или магнитная обработка. Обработку хлопкового волокна проводили на лабораторной ультразвуковой установке ИЛ-100-6/6 с частотой 22 кГц в течение 110 мин. Для получения высокой капиллярности для хлопкового волокна требуется более длительное ультразвуковое воздействие и введение в раствор поверхностно-активных веществ [4, с.51].
Исследовано влияние ультразвука на свойства хлопчатобумажной ткани, ее гидрофильность, прочность, и степень расшлихтовки. Отмечалось, что применение ультразвука не снижало активности амилазы и оказывало значительное влияние на гидро-фильность ткани. Исследования проводились на ультразвуковой машине фирмы AGS Group [5, с.3-4].
По предварительным исследованиям известно, что наноструктурирование льняных тканей в низкотемпературной плазме тлеющего разряда позволяет существенно увеличить их капиллярность [6-10]. Наноструктурирование суровой ткани, обработанной плазмой, показало, что количество фиксированного красителя возрастает в три раза по сравнению с фиксацией красителя исходным образцом.
Таким образом, низкотемпературная плазма тлеющего разряда при взаимодействии с натуральными капиллярно-пористыми материалами обеспечивает эффекты интенсивной очистки и травления поверхности.
Одним из современных методов электрофизического наноструктурирования поверхности экспериментальных образцов текстильных материалов является их обработка в потоке неравновесной низкотемпературной плазмы (ННТП) пониженного давления, которая используется для повышения свойств экспериментальных образцов текстильных материалов [11].
В данной работе проведены исследования влияния неравновесной низкотемпературной плазмы (ННТП) пониженного давления на разрывную нагрузку и относительное разрывное удлинение экспериментальных образцов текстильных материалов с содержанием натуральных волокон.
Обработка экспериментальных образцов наност-руктурированных целлюлозосодержащих текстильных полотен осуществлялась на уникальной полупромышленной плазменной установке периодического действия «ВАТТ 1500 Р/Р ПЛАЗМА 3».
Наноструктурирование экспериментальных образцов текстильных материалов проводилось следующим образом, рулон исходного материал устанавливался внутрь вакуумной камеры и протягивался через перемоточные валы на приемный вал для перемотки рулонного материала, и устанавливался между ВЧ электродами в вакуумной камере, затем вакуумная камера закрывалась. При закрытии крышки вакуумной камеры с помощью откатной двери, электроды устанавливались в рабочее положение. В камере создавалось пониженное давление, и происходила обработка в потоке неравновесной низкотемпературной плазмы.
Данная установка является однокамерной установкой периодического действия. Питание установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 380/220 В ± 5%, частотой 50 Гц. Объемная обработка экспериментальных образцов текстильных матриалов из натуральных волокон осуществлялась при варьировании входных параметров плазменной установки, к которым относятся: мощность разряда (Рр) = 0,2 - 2,0 кВт, расход плазмообразующего газа (в) от 0 до 0,08 г/с, давление в вакуумной камере (Р) от 13 до 53 Па и время обработки (т) от 1 до 3 метров в минуту, мощность, потребляемая установкой (Рпотр.) от 1,0 до 5,0 кВт. В качестве плазмообразующего газа использовали воздух.
Изменяя параметры электрического разряда и вид плазмообразующего газа, можно управлять составом химически активных частиц и, следовательно, характером воздействия ННТП обработки на текстильный материал. Сильная неравновесность плазмы, генерируемая ВЧЕ разрядом пониженного давления с энергией частиц до 100 эВ, приводит к наноструктурирова-нию внутренних и наружных поверхностных слоев экспериментальных образцов текстильных материалов, при этом обрабатываемый в плазме материал остается холодным, что позволяет с помощью плазменного потока получать эффекты, недостижимые другими видами плазменного воздействия.
Объектом исследования являлось парусина полульняная окрашенная артикул 11292, пропитанная огнезащитной ОП и светопрочной комбинированной пропиткой (водоупорной и биостойкой).
Одним из основных показателей определяющих качество наноструктурированных тканей для специальной одежды с содержанием натуральных волокон являются механические характеристики, такие как: разрывная нагрузка и относительное разрывное удлинение. Стандартный метод экспериментальной оценки разрывной нагрузки материалов (ГОСТ 3813-72) позволяет определить их выносливость, то есть устойчивость к действию многоцикловых нагрузок.
Экспериментальные исследования разрывной нагрузки парусины полульняной с огнезащитной ОП пропиткой (артикул 11292) и видов обработки ННТП проводились с применением современного оборудования - разрывной машины МТ110-5. Результаты исследований представлены на рисунке 1.
Рис. 1 - Разрывная нагрузка полульняной парусины с огнезащитной ОП пропиткой (артикул 11292) и видов обработки ННТП: Овоздух = 0,04 г/с, f = 50 МГц, Р = 21 Па, Wp = 3,5 кВт, т=1 метр/мин
Таким образом, от видов обработок полульняной парусины, соответственно показатель разрывной нагрузки выше в том случае, когда обработка ННТП производится после окраски и огнезащитной пропитки. ННТП обработка позволяет повысить стабильность красильного состава и степень фиксации красителя и пропитки на волокне.
Данный вид разряда позволяет не только упрочнять исследуемый ассортимент тканей, но и одновременно повышать их относительное разрывное удлинение. Принято определять удлинение при стандартной разрывной нагрузке — приращение длины растягиваемой пробы в момент достижения разрывной нагрузки, экспериментально установленных контрольных и наноструктурированных образцов. Результаты исследований относительного разрывного удлинения от видов обработок представлены на рисунке 2.
Виды обработок
по утку
?п
по основе
30
Мр,%
Рис. 2 - Относительное разрывное удлинение полульняной парусины с огнезащитной ОП пропиткой (артикул 11292) и видов обработки ННТП: Овоздух = 0,04 г/с; f=50 МГц; Р = 21 Па; Wp= 3,5 кВт; т=1 метр/мин
Экспериментальные исследования относительной разрывной нагрузки полульняной парусины с огнезащитной ОП пропиткой (артикул 11292) и видов обработки ННТП показали, что максимальные показатели достигаются в результате обработки ННТП как после окраски, так и огнезащитной пропитки ННТП: 40,74% по основе и 34,44% по утку ткани относительно контрольных образцов. В случае выбора метода обработок ННТП до окраски и огнезащитной пропитки парусины, при времени обработки 1 метр/мин в плазмообразующем газе воздух: относительная разрывная нагрузка увеличивается на 14,65% по основе и 8,47% по утку ткани относительно контрольных образцов. Ткани, имеющие высокое удлинение при разрыве, обладают, как правило, хорошей эластичностью, несминаемостью, стойкостью к истиранию, что немаловажно для швейных изделий специального назначения. Как и разрывная нагрузка, удлинение при разрыве в значительной степени зависит от качественного состава сырья, из которого выработана ткань.
Таким образом, наноструктурирование полульняной ткани с помощью плазмы, резко меняет его поверхностную структуру, увеличивает силы межмолекулярного взаимодействия и при ориентации целлю-лозосодержащего полимер за счет упорядочения в расположении молекул и возрастания плотности упаковки молекул. В отличие от традиционных технологий аналогичного назначения, плазменная технология придает текстильным материалам требуемые эффекты, не перекрывая капиллярно-пористую структуру волокнистого материала, он остается «дышащим», поскольку его микропоры остаются открытыми для воздухообмена.
Поток неравновесной низкотемпературной плазмы обладает следующими преимуществами: эффективно и устойчиво изменяет поверхностные свойства образца, при этом не ухудшая объемные (в том числе механические) характеристики, не нагревает материал до температуры, вызывающей его расплавление или деструкцию.
Заключение
Таким образом, наноструктурирование экспериментальных образцов текстильных материалов потоком неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления является новым перспективным способом наноструктурирования материалов текстильной промышленности, позволяет улучшить их механические свойства. Плазменная технология относится к сухим, экологически чистым процессам, не требующим использования химических реагентов и отвода вредных веществ, поэтому исследование возможностей применения данного способа в процессе производства тканей с содержанием натуральных волокон и нитей является актуальным. В связи с этим, проведение исследований по применению плазменного наноструктурирования натуральных экспериментальных образцов текстильных материалов ННТП обработки пониженного давления и рассмотрение вопроса о применении данного метода в процессе их модифицирования является своевременным и актуальным.
Максимальные показатели разрывной нагрузки достигаются в результате обработки ННТП как после окраски, так и огнезащитной пропитки ННТП на 40,74% по основе и 34,44% по утку ткани, а относительное разрывное удлинение увеличивается на 14,65% по основе и 8,47% по утку, относительно контрольных образцов.
*Проект выполняется в организации исполнителе (Получателе субсидии) при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в соответствии с требованием соглашения № 14.577.21.0019 о предоставлении субсидии на проведение прикладных научных исследований. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57714X0019.
Литература
1. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменная обработка в динамическом вакууме капиллярно-пористых материалов. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, Л.Н. Абуталипова, В.С. Желтухин, И.В. Красина. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2004. - 428с.
2. Чешкова, А. В. Использование ВЧ-нагрева при ферментативной расшлихтовке и перекиси беления тканей / А.В. Чешкова, В.С.Побединский, В.И.Лебедева // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 1994. -№6. - С.51.
Гриневич, В.И. Кинетика и механизм воздействия низкотемпературной плазмы на карбоцепные полимеры: авто-реф. дис.... канд. хим. наук. - М., 1983. - 23 с.
4. Шибашов, А.В. Интенсификация удаления сопутствующих примесей хлопкового волокна в процессе беления с ультразвуком /А..В. Шибашов, Ф.Ю. Телегин // Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности. -2009. - № 3. - С. 48-51.
5. Duran, K. Pretreatment of cotton fabric by aid of continuous ultrasonic machine / K. Duran, A. Korlii, S. Perincek, I. Bahtiyari // Ind. text. - 2009. - V. 60, №. l. - P. 3-10.
6. Оулет, Р. Технологическое применение низкотемпературной плазмы / Р. Оулет, М. Барбье, П. Черемисинофф и др. / Пер. с англ. - М. : Энергоатомиздат, 1983. - 144 с.
7. McCracken, G.M. The behaviour of surface under ion bombardment / G.M. McCracken // Rep. Progress Physics. - 1975. - V. 38. - № 2. - P. 241 - 327.
8. Тихомиров, Л.А. Исследование действия плазмы газового разряда на каучук СКН-26 /Л.А. Тихомиров, Ж.С. Кияшкина // IV Всесоюзн. симп. по плазмохимии: тез. докл. - Днепропетровск, 1984. - С. 91 - 92.
9. Egitto, F.D. Mettalized Plastics : Fundamental and Applied aspects / F.D. Egitto, L.J. Matienzo // Contributed Papers of 189 th Meeting of the Electrochemical Society. - Los Angeles, 1996. - P. 283-301.
10. Arefi, F. Metallized Plastics / F. Arefi, M. Tatoulian, V. Andre, J. Amouroux, G. Lorang // Fundamental and Applied Aspect. - New York: Plenum Press, 1992. - V. 3. -340 p.
11. Хамматова, Э.А.Повышение механических свойств многофункциональных экспериментальных образцов текстильных материалов для производства изделий специального назначения // Известия вузов. Технология текстильной промышленности», Иваново, 2014. №5. - С. 44-48.
© В. В. Хамматова - д.т.н., профессор, зав.каф. дизайна КНИТУ, [email protected]; Р. Ф. Гайнутдинов - к.т.н., старший преподаватель той же кафедры, [email protected].
© V. V. Khammatova - doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Design, Institute of technology of light industry of fashion and design, Kazan national research technological University, [email protected]; R. F. Gainutdinov - Ph.D., senior lecturer of the same department Kazan national research technological University, [email protected].
