авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Регулирование свойств синтетических волокон, нитей, тканей и композиционных материалов на их основе с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы

-- [ Страница 3 ] --

Здесь - вектор скорости и радиус-вектор i-й частицы (атома или иона), - координаты начального положения частиц, - сила, действую­щая на i-ую частицу со стороны j-й частицы, - масса i-й частицы, t – время, N – количество частиц в системе. Силы взаимодействия атомов рассчитываются с помощью потенциала Леннарда-Джонса.

Рассмотрена элементарная ячейка размером 20 x 40 x 27 , содержащая 2430 атомов углерода и водорода.

Молекула СВМПЭ образована цепочкой звеньев вида [-CH2-], звенья в цепи связаны одинарными (C-C) связями, молекулярные цепи связаны между собой посредством одинарных (C-C), реже двойных (C=C) связей. Длина оди­нарной связи (C-C) равна 1,54 , длина двойной связи – 1,34 . Атомы водо­рода находятся на расстоянии 1,09  от атома углерода. Диаметр иона Ar+ равен 3,08 , атома – 3,76 .

Результаты расчетов показали, что при столкновении с полиэтиленом ион или быстрый атом Ar воздействует, как минимум, на 3 атома углерода, затра­гивая 4 связи (C-C) и 6 связей (C-H).

Энергия связи (C-C) равна 3,57 эВ, (C-H) – 4,37 эВ. Суммарная энергия связей, на которые воздействует ион Ar+, составляет 44,07 эВ. Таким образом, общей энергии иона аргона (кинетическая 70-90 эВ и потенциальная 15,76 эВ) достаточно, чтобы разрушить межмолекулярные и межатомные связи в моле­кулярных цепочках, расположенных в двух-трех атомных слоях филамента СВМПЭ. Остаток энергии расходуется на возбуждение колебательных (ло­кальный нагрев) и вращательных степеней свободы (конформация), а также на ионизацию звеньев молекул и молекулярных остатков.

Разрыв связей в нанослое СВМПЭ волокон в результате бомбардировки ионом аргона может привести к возникновению нейтральных и заряженных частиц. Отрицательно заряженные частицы навсегда покидают поверхность СВМПЭ. Положительно заряженные частицы, могут вновь вернуться на поверхность, образуя адгезионное соединение. Нейтральные частицы могут либо покинуть поверхность, либо вернуться на нее, в зависимости от характера взаимодействия с частицами плазмы. Это способствует формированию рельефа поверхности.

Плотность ионного тока на поверхности материалов в типичных режимах обработки ВЧ плазмой пониженного давления составляет 0,3 – 0,9 А/м2, что эквивалентно поступлению 6 - 10 ионов в секунду на площадку размером в 100 2. В течение 5 минут ВЧ плазменной обработки на эту площадку попадут 1800 - 6000 ионов, то есть каждый участок размером 1 х 1  подвергнется воз­действию 18 - 60 ионов. Общая глубина воздействия ВЧ плазмы на волокна СВМПЭ составит, таким образом, 36 - 120 атомных слоев, или 16 – 43 нм.

В промежутках между ионными воздействиями поверхность СВМПЭ взаимодействует с нейтральными и возбужденными атомами газа, кинетиче­ская энергия которых составляет 0,026 – 0,027 эВ. Плотность потока таких атомов составляет (6 – 20)102 атом/(2с). Вероятнее всего, столкновение ато­мов с поверхностью способствует некоторой релаксации состояний молекул СВМПЭ, после воздействия ионов Ar+.

Резюмируя вышесказанное, получим, что поверхность филаментов СВМПЭ волокон, непосредственно контактирующих с ВЧ плазмой пониженного давления (плазмообразующий газ – аргон), подвергается воздействию на глубину 16 - 43 нм. При этом происходит упорядочение наноструктуры, с поверхности удаляются крупные неровности размером от 15 нм до 3 мкм, высота неровностей рельефа становится порядка 4,5 – 9,0  (1-2 последних атомных слоя, подвергнутых бомбардировке). Вследствие ионной бомбардировки, разрыва межмолекулярных и межатомных связей и низкоэнергетической ионной имплантации, в поверхностном нанослое возникают заряженные центры и нескомпенсированные углеродные связи с длительным временем жизни, способные к образованию функциональных групп после ННТП обработки. В случае межмолекулярного попадания имплантированных ионов, возникают напряженные состояния в поверхностном слое, за счет этого возрастает поверхностная энергия. Совокупное действие этих факторов способствует активации поверхности и увеличению адгезии СВМПЭ волокон к материалам.

В третьей главе приведены характеристики объектов исследования, описаны оборудование и методики проведения модификации и исследования их структуры и свойств. В качестве объектов исследования использовали ПП пленочную и ПА нити, ПП и ПЭФ волокна, многофиламентные волокна из СВМПЭ различных производителей и ткань из данного волокна. Для модификации ПП волокна применяли коллоидный раствор наночастиц серебра под маркой «Бион-2», с концентрацией наночастиц 10 г/см3. Для получения экспериментальных образцов КМ применялись эпоксидные и полиуретановые связующие.

Обработка объектов исследования ННТП проводилось на экспериментальной ВЧЕ плазменной установке. Входные параметры плазменной установки варьировались в следующих пределах: Ua от 1,5 до 7,5 кВ; Ja от 0,3 до 0,7 А; время обработки () от 30 до 600 с; Р  от 13,3 до 533 Па, G от  0 до 0,2 г/с; вид плазмообразующего газа – аргон, азот и смеси газов аргон-воздух, аргон-азот, аргон-пропан-бутан в соотношении 70% и 30%.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований изменения поверхностных, физико-механических, термических свойств полиолефиновых волокон, нитей (ПП пленочной нити, ПП и СВМПЭ волокон) и тканей из СВМПЭ волокон, ПЭФ волокон и ПА нитей, модифицированных потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления, а также свойств экспериментальных образцов КМ, получаемого на основе СВМПЭ волокон и тканей. Установлено, что, варьируя входные параметры плазменной обработки, можно добиться изменения различных свойств волокон, нитей, тканей: прочности, удлинения, увеличить гигроскопические и повысить гидрофильные или гидрофобные свойства.

В процессе исследований определялись параметры плазменной обработки, позволяющие изменить поверхностные и физико-механические свойства ПП нити, и проводилась их оптимизация.

В таблице 1 приведены результаты по определению краевого угла смачивания и величины поверхностного натяжения ПП пленочной нити обработанной ННТП в разных плазмообразующих газах.

Таблица 1. Изменение поверхностных свойств ПП пленочной нити, обработанной ННТП в разных плазмообразующих газах.

Режим плазменной обработки Вид плазмообра-зующего газа Угол смачивания (), град. Поверхностное натяжение, мДж/м2
Без НТП обработки 89 30
Ua = 3,5 кВ; Ja = 0,4 А; Р = 26,6 Па; G = 0,04г/с; = 240 сек аргон 51 48
Ua = 3,5 кВ; Ja = 0,4 А; Р = 26,6 Па; G = 0,04г/с; = 180 сек аргон - воздух 70:30 38 58
Ua = 5,5 кВт; Ja = 0,3 А; Р = 26,6Па; G = 0,04г/с; = 60 сек аргон – пропан-бутан 70:30 60 50
Ua = 4,5 кВ; Ja = 0,3 А; Р = 26,6 Па; G = 0,04г/с; = 180 сек аргон - азот 70:30 22 68

Как видно из таблицы 1, наибольшая смачиваемость ПП нити наблюдается после обработки в смеси плазмообразующих газов аргон – азот. Активация поверхности происходит как за счет возникновения долгоживущих свободных радикалов при низкоэнергетической ионной имплантации, способных реагировать с кислородом воздуха после обработки, так и за счет присутствия химически активного газа, способствующего образованию в поверхностном нанослое нити функциональных групп с участием азота.

Результаты проведенных исследований показали, что Ua, Ja, и вид плазмообразующего газа оказывают влияние на показатели разрывной нагрузки и относительного удлинения полиолефиновых волокон. Наибольшее увеличение разрывной нагрузки и относительного разрывного удлинения ПП пленочной нити достигается при следующих параметрах плазменной обработки: Ua = 3,5 кВ, Ja = 0,3 А, G = 0,04 г/с; P = 26,6 Па;  = 180 с, плазмообразующий газ аргон – пропан-бутан в соотношении 70 : 30, где прочность ПП нити возрастает на 15% по сравнению с контрольным образцом. Присутствие в плазмообразующем газе пропан-бутана приводит к прививке его ионов к возникающим свободным радикалам в поверхностном слое ПП нити в процессе ионной бомбардировки, в результате на поверхности формируются сшитые структуры, происходит улучшение физико-механических свойств, сохраняется гидрофобность поверхности.

Воздействие потока аргоновой плазмы ВЧЕ разряда в режиме Ua = 3,5 кВ; Ja = 0,4 А; Р = 26,6 Па; G = 0,04 г/с;  = 240 с приводит к гидрофилизации поверхности ПП пленочной нити, поэтому данный режим выбран для модификации ПП волокон с целью активации их поверхности. Это позволило проводить их пропитку коллоидным раствором наночастиц серебра, концентрации 10%, по трем вариантам.

1 вариант: обработка ПП волокна ВЧ плазмой и пропитка коллоидным раствором наночастиц серебра;

2 вариант: обработка ПП волокна ВЧ плазмой, пропитка коллоидным раствором наночастиц серебра, повторная обработка ННТП;

3 вариант: без плазменной обработки, пропитанный коллоидным раствором наночастиц серебра.

Результаты оценивали с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) (рис. 1).

а) б)
в) Рис. 1. АСМ изображения топографии поверхности ПП волокна, обработанного по трем вариантам, после промывки: а – 1-ый вариант; б – 2-ой вариант; в – 3-ий вариант.

АСМ изображение топографии поверхности ПП волокна (рис. 1, б) свидетельствует, что у образца, прошедшего двойную плазменную обработку, на поверхности после промывки остаются наночастицы серебра (40 – 150 нм). После пропитки плазмоактивированных волокон коллоидным раствором, наночастицы проникают в поверхностный нанослой волокон, а повторная ННТП обработка способствует их закреплению на поверхности ПП волокон, не допуская агрегации. Обработка ННТП перед пропиткой волокон способствует образованию долгоживущих активных радикалов в результате захоронения ионов аргона в нанослое ПП волокна, что объясняет улучшение смачиваемости раствором наночастиц. Повторная обработка в том же режиме приводит как к дополнительному «вбиванию» наночастиц серебра, так и к возникновению подвижных радикалов, формирующих поперечные связи, сшивки, препятствующие агрегации и удалению наночастиц при промывке.

Результаты исследований по активации поверхности СВМПЭ волокон и тканей, известных своей гидрофобностью, показывают, что плазменная обработка в ВЧЕ-разряде пониженного давления позволяет существенно уменьшать поверхностное натяжение и повышать капиллярность.

На рис. 2 представлены результаты изменения смачиваемости ткани из СВМПЭ волокон, обработанной в плазме ВЧЕ – разряда пониженного давления, где капля жидкости растекается в тонкую пленку на поверхности ткани. Равновесный краевой угол в этом случае не устанавливается, что свидетельствует о полном смачивании.

 а) б) Растекание капли по-13 а) б) Рис. 2. Растекание капли по поверхности ткани до (а) и после (б) обработки в ВЧЕ-разряде при Jа=0,7 А, Uа=5 кВ, =180 с; Р=26,6 Па; GAr=0,04 г/с.

В результате оценки поверхностных свойств СВМПЭ волокон до и после ННТП обработки, проводимой по изменению значения капиллярности, обнаружено, что в плазмообразующем газе аргон, в режиме Ua = 5 кВ, Ja = 0,7 А, Р = 26,6 Па, G = 0,04 г/с,  = 180 с, подъем жидкости по волокну составляет 69 мм, в плазмообразующем газе аргон 70% – пропан-бутан 30% подъема жидкости практически не наблюдается и волокна сохраняют гидрофобность поверхности. Данные изменения объясняются теми же эффектами, что и для ПП волокон и нитей.

Проведены исследования капиллярности СВМПЭ волокон, обработанных в плазмообразующем газе аргон. Поднятие жидкости по волокну измерялось в течение 5 дней в той же среде, без контакта с воздухом, и не превышало 39 мм. При последующем выносе на воздух капиллярное поднятие составило 70 мм, что подтверждает наличие в поверхностном нанослое долгоживущих реакционноспособных свободных радикалов, взаимодействующих с кислородом воздуха.

Получены математические модели двухфакторных экспериментов, адекватно описывающие процесс и позволяющие определить значения капиллярности СВМПЭ волокон при варьировании следующих параметров: Ua и Ja; Ja и ; Ja и Р; Ua и . Дана математическая модель для трехфакторного эксперимента третьего порядка, адекватно описывающая процесс и позволяющая определить значение капиллярности при варьировании Ja, Ua и .

Установлена неоднородность распределения массы отдельных участков исходных СВМПЭ волокон по их длине, получены гистограммы распределения массы по длине образцов после ННТП обработки, показывающие, что после модификации СВМПЭ волокон в ВЧЕ разряде пониженного давления происходит выравнивание массы по длине волокон. Устойчиво прослеживается закономерность заметного повышения массы образцов после ВЧЕ-обработки, имеющих изначально минимальные значения массы (до 17,7%), при этом исходные образцы с максимальной массой незначительно ее теряют (до 2,4%). Зная, что количество филаментов по длине СВМПЭ волокна в данном исследовании одинаково, можно утверждать, что более тонкие филаменты в образцах с меньшей массой подвергаются более интенсивной обработке ННТП с преимущественным образованием свободных радикалов, в том числе долгоживущих, взаимодействующих затем с кислородом, за счет чего волокна набирают массу. В образцах с большей массой присутствуют филаменты большего диаметра, при обработке которых преобладают процессы травления.

Исследование физико-механических характеристик показало, что значение прочности СВМПЭ волокон (Китай) меняется в пределах 800-1000 МПа, что связано с различной структурой на разных участках волокна. При обработке в плазмообразующем газе аргон на кривых разрушения СВМПЭ волокон более выражен участок пластической деформации, а значение максимального напряжения, которое выдерживает волокно, незначительно снижается и составляет от 780-970 МПа. В плазмообразующем газе аргон 70% – пропан-бутан 30% прочность составляет не менее 1050 МПа. При обработке в смеси газов аргон-воздух прочность значительно падает – до 500 МПа. Повышение прочности в плазмообразующем газе аргон-пропан-бутан объясняется аналогично тем же изменениям, что и в ПП нитях. Спад прочности в присутствии воздуха связан с процессами плазмохимического травления поверхностного слоя.

При исследовании термических характеристик методом ДСК и ТГА исходных СВМПЭ волокон и обработанных в плазме в различных плазмообразующих газах в оптимальных режимах, установлено, что пики плавления и перекристаллизации наблюдаются в тех же областях, что свидетельствует о сохранении внутренней структуры волокна, но пики термодеструкции смещаются в более высокотемпературную область (таблица 2).

Данные ДСК и ТГА показывают, что плазмоактивированные СВМПЭ волокна обладают большей термостойкостью, так, в режиме Uа=5kB; Jа=0,3A; P=26,6Па; G=0,04г/с; t=3мин, аргон 70%, пропан-бутан 30%, способствующем гидрофобизации и упрочнению поверхности, температура термодеструкции повышается на 600С.

Таблица 2. Термические характеристики СВМПЭ волокон (ДСК)

Характеристика образца Экзоэффекты в интервале температур, оС Начальная температура эффекта, оС Характер экзоэффектов
Uа =5kB; Jа =0,7A; P=26,6Па; G=0,04г/с; t=3мин. Аргон 70%, воздух 30%. 380-500 385,1 Выраженные 1-3 эффекта
Uа =5kB; Jа =0,3A; P=26,6Па; G=0,04г/с; t=3мин. Аргон 70%, пропан-бутан 30%. 400-500 410,3 -«-
Uа =5kB; Jа =0,7A; P=26,6Па; G=0,04г/с; t=3мин. Аргон 390-500 396,5 -«-
Uа =3kB; Jа =0,5A; P=26,6Па; G=0,04г/с; t=3мин. Аргон 70%, азот 30%. 370-480 377,0 -«-
Контрольный (Китай) 320-475 350,4 множество экзоэффектов


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.