Особенности потока плазмы высокочастотного емкостного разряда при взаимодействии с текстильными материалами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

казанским государственный технологическим

университет

На правах рукописи

ХАММАТОВА Венера Василовна

Особенности потока плазмы высокочастотного

емкостного разряда низкого давления при взаимодействии с текстильными материалами

Специальность 01.02.05. Механика жидкости, газа и плазмы.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н. проф. И.Ш. Абдуллин

д.т.н. проф. Л.Н. Абуталипова

Казань 1999

Условные и сокращенные обозначения

О - расход плазмообразующего газа т - продолжительность обработки ивч - напряжение на ВЧ-электродах Р - давление в вакуумной камере Рр - мощность, вкладываемая в разряд

- энергия ионов 12 - плотность тока в плазме ВЧЕ-разряда Нф - наряженность магнитного поля

11 - плотность ионного тока поступающего на поверхность

Т - температура образцов

Рн - разрывная нагрузка

Ер - относительное разрывное удлинение

тп -потеря массы

У - усадка

Ут - скорость изменения температуры образцов К - капиллярность

Б - диаметр растекания капли жидкости Траст ~ время растекания капли жидкости В - водопоглощение

Ск - скорость подъема жидкости в капилярах

Тсмач - время смачиваемости образца

Ут - скорость потери массы образца

Кс - относительная кристалличность образца

П0 - коэффициент поглощения

Я о - коэффициент отражения

аж - жесткость нитей_

Хс - длина волны света

тк -время впитывания воды капиллярами

^ - время растекания дистиллированной воды

1К - время растекания водного раствора красителя

Ьж - коэффициент жесткости

Ср - концентрация огнезащитного раствора

С - стерильность образцов

НТП - низкотемпературная плазма

ВЧЕ-разряд - высокочастотный емкостной разряд

ЭПР - электронный парамагнитный резонанс

УЗ-излучение - ультразвуковое излучение

УФ-излучение - ультрафиолетовое излучение

ИК-спектр - инфракрасный спектр

ПП - полипропилен

ПА - полиамид

ПЭТФ - полиэтилентерефталат

ПЭ - полиэфир

ПТФЭ - политетрафторэтилен

ПАВ - поверхностно-активное вещество

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Основные условные и сокращенные обозначения..........................2

Введение............................................................................................7

Глава 1. Состояние и перспективы использования плазменных потоков высокочастотного емкостного разряда низкого давления в процессах модификации поверхностности текстильных материалов.............................................................15

1.1. Современное состояние исследований параметров плазменного потока.......................................................................15

1.1.1. Методы диагностики параметров высокочастотного емкостного разряда.......................................................................15

1.1.2. Экспериментальные исследования параметров плазменного потока высокочастотного емкостного

разряда.........................................................................................................21

1.2. Традиционные методы модификации высокомолекулярных полимеров..........................................................................25

1.3. Плазменные методы модификации натуральных и синтетических материалов..............................................................33

1.3.1. Технологические и потребительские эффекты плазменной обработки текстильных материалов.....................................34

1.3.2. Физико-химические исследования эффективности воздействия плазменного потока....................................................41

1.3.3. Использование потока плазмы низкого давления для модификации текстильных материалов в промышленном масштабе................................................................................50

1.4. Задачи исследования................................................................52

Глава 2. Описание плазменной установки, методик

проведения экспериментов и аппаратуры для исследования характеристик потока ВЧЕ-разряда....................................................54

2.1. Описание ВЧЕ плазменной установки и методик определения параметров потока плазмы при обработке текстильных материалов........................................................................54

2.2. Выбор объектов исследования................................................64

2.3. Методики определения физико-механических, физико-химических, потребительских свойств тканей и

нитей............................................................................................................70

Глава 3. Исследования характеристик потока плазмы ВЧЕ-разряда, применяемого для обработки текстильных материалов.................................................................................81

3.1. Оценка параметров потока плазмы ВЧЕ-разряда, используемого для обработки текстильных материалов..........................................................................................................81

3.2 Экспериментальные исследования зависимостей изменения характеристик потока плазмы ВЧЕ-разряда от режимов плазменной установки.............................................94

3.3. Исследование значений энергии ионов и плотности ионного тока в слое пространственного заряда...........................105

3.4. Физическая модель взаимодействия потока ВЧЕ-плазмы низкого давления с текстильными материалами ...........................................................................................................111

Глава 4. Применение потока плазмы ВЧЕ- разряда низкого давления в процессе модификации текстильных материалов...............................................................................................137

4.1. Влияние параметров потока плазмы ВЧЕ- разряда на изменение физико-механических и потребительских свойств текстильных материалов...................................................137

4.1.1. Влияние воздействия потока плазмы высокочастотного разряда на изменение механических свойств текстильных материалов..........................................................................138

4.1.2. Влияние плазменного потока на изменение физических свойств текстильных материалов........................................155

4.2. Экспериментальные исследования структуры и физико-химических свойств текстильных материалов..........................174

4.3. Разработка технологических процессов модификации нитей и тканей, выбор параметров обработки

плазмой......................................................................................................190

Выводы по работе.........................................................................209

Литература....................................................................................212

Приложения..................................................................................235

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время процессы взаимодействия потока плазмы низкого давления с материалами используются не только в производстве изделий электронной, медицинской технике, но и в текстильной и легкой промышленности для придания тканям и нитям требуемых технологических и потребительских свойств.

Целенаправленное улучшение физико-механических и физико-химических свойств текстильных материалов представляет научный интерес и имеет большое практическое значение, поскольку они определяют конечную потребительскую ценность и конкурентоспособность изделий легкой промышленности.

Анализ современного состояния рынка показывает, что в различных отраслях народного хозяйства наиболее перспективными и широко применяемыми высокомолекулярными соединениями являются натуральные ( хлопок, лен, джут, кенаф) и синтетические (капрон, лавсан, полипропилен), поэтому представляют интерес при создании новых материалов.

Проблема повышения конкурентоспособности изделий из целлюлозосо-держащих волокон имеет большое социально-экономическое значение. Для оптимизации свойств материалов, используемых для производства товаров народного потребления, необходимы фундаментальные научные исследования, которые охватывают значительное количество разделов в различных научных направлениях с целью разработки высокоэффективных методов обработки материалов, обеспечивающих их модификацию.

Методы традиционной модификации, как правило, осуществляются с использованием химических реагентов и, как следствие, сопровождаются загрязнением окружающей среды. Более того подобные методы обработки текстильных материалов позволяют лишь ограниченно улучшать свойства последних.

Альтернативными методами модификации поверхности текстильных материалов являются такие нетрадиционные способы, как электрофизические методы воздействия: плазменной струей, электрическим током и его разрядом,

электромагнитным полем, электронным или оптическим излучением, а также высокоэнергетическими импульсами. Среди перечисленных способов обработки особую значимость приобретает высокочастотный емкостной (ВЧЕ)-разряд. Плазменный поток ВЧЕ-разряда характеризуется высокой концентрацией возбужденных и заряженных частиц, высокой напряженностью электрических полей, что позволяет зажигать разряд в различной геометрии плазмотронов и на любых газах. Высокая неравновесность плазмы и достаточно низкие газовые температуры [1] делают возможным эффективно использовать ВЧЕ-разряды в технологических процессах обработки тканей и нитей.

Плазменные технологии обладают целым рядом достоинств, дающих право считать эту сравнительно молодую технологию, как одну из самых перспективных соответствующую тенденциям развития текстильной промышленности и позволяющую решать проблемы, возникающие при производстве текстильных материалов.

Достоинствами поточных ВЧ-плазменных методов обработки являются: улучшение свойств высокомолекулярных материалов, отсутствие химических превращений на поверхности полимеров [2], экономия сырьевых и энергетических ресурсов, повышение уровня автоматизации технологических процессов, отсутствие вредного воздействия установки на обслуживающий персонал и биосферу.

Для научно-обоснованного и технологически целесообразного применения ВЧЕ-плазменных процессов в текстильном производстве необходимо проведение исследований изменения свойств текстильных материалов в зависимости от параметров воздействия плазменного потока.

К настоящему моменту отсутствуют физическая модель процесса взаимодействия потока низкотемпературной плазмы с волокнистыми высокомолекулярными материалами, имеющими капиллярно-пористую структуру и рекомендации по режимам обработки указанных материалов. В связи с этим акт-кальной задачей является разработка технологии модификации текстильных

материалов с использованием поточного ВЧЕ-разряда низкого давления и специализированных ВЧЕ-плазменных установок для этих целей.

Исследование проводилось в соответствии с программой НИР, обеспечивающей решение ряда важных прикладных задач текстильной промышленности на кафедре "Технологии и конструирования швейных изделий" Казанского государственного технологического университета.

Цель работы заключается в получение характеристик потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления в процессе взаимодействия его с текстильными материалами и разработки на основе этих исследований рациональной технологии модификации их свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-получить зависимости основных параметров потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления, ответственных за модификацию поверхности текстильных материалов, от параметров плазменной установки в присутствии капиллярно-пористых тел;

-установить закономерности влияния потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления на изменение свойств высокомолекулярных материалов в ВЧЕ-разряде низкого давления;

-разработать технологические процессы отделки текстильных материалов с использованием плазменной обработки потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления и внедрить их в текстильную промышленность.

Диссертация состоит из четырех глав, посвященных решению этих задач.

В первой главе дан обзор состояния и перспектив развития методов диагностики плазменного потока ВЧЕ-разряда низкого давления. Рассмотрены методы модификации высокомолекулярных полимеров и сформулированы задачи диссертации.

Во второй главе содержится описание экспериментальной плазменной установки для получения потока плазмы ВЧЕ-разряда низкого давления. Изло-

жены методики экспериментальных исследований характеристик потока низкотемпературной плазмы в присутствии обрабатываемого полимерного материала. Описан измерительный комплекс для исследования параметров ВЧЕ-разряда низкого давления: пояс Роговского для измерения плотности тока; анализатор энергии ионов; трубки Пито для определения скорости потока плазмы; системы измерения температуры обрабатываемого образца. Исследованы характеристики плазменного потока и обработки материалов в нем. Рассмотрены методы и средства определения физико-механических и потребительских свойств текстильных материалов.

В третьей главе дано теоретическое обоснование возможности модификации текстильных материалов плазменным потоком ВЧЕ-разряда низкого давления. Проведена оценка параметров потока ВЧЕ-плазмы (напряженности магнитного поля, плотности тока в разряде, скорости потока и мощности разряда, энергии ионов и плотности ионного тока) в присутствии полимерных образцов. Показано, что энергия ионов и плотность ионного тока на поверхности обрабатываемых текстильных материалов достаточны для модификации внешней и внутренней поверхности капиллярно - пористых тел волокнистой структуры.

По результатам экспериментальных исследований установлены зависимости характеристик плазменного потока от входных параметров высокочастотной плазменной установки при введении в плазму волокнистых высокомолекулярных материалов.

Обоснован выбор базовых режимов работы ВЧ- плазменных установок, которые целесообразно использовать для обработки текстильных материалов органической природы.

Установлено, что к основным технологическим параметрам, отвечающим за модификацию свойств волокнистых полимерных тел, следует отнести величину ионного тока на поверхность энергию ионов^О. Экспериментальное исследование этих параметров показывает, что, наряду с обыкновенным термическим воздействием (влияние теплового потока), в плазме ВЧЕ- разряда происходит ионное воздействие за счет^ и

Доказано, что в капиллярах и порах высокомолекулярных материалов зажигается несамостоятельный разряд, позволяющий модифицировать материал по всему объему. Воздействие на внутреннюю поверхность пор и капилляров происходит, в основном, за счет процесса рекомбинации ионов на поверхности.

На основе исследования обобщенных параметров плазмы - энергии ионов и плотности ионного тока, поступающих на поверхность тела, размещенного в плазме - разработана физическая модель взаимодействия потока плазмы с поверхностью текстильных материалов. Определен диапазон изменения величин указанных параметров плазмы. Максимальные величины энергии иона состав-

о

ляют 60-90эВ, плотность ионного тока - 0,5-3,0 А/м . Результаты экспериментов подтверждают, что наиболее вероятными процессами, ответственными за модификацию капиллярно-пористых тел, являются рекомбинация ионов на поверхности и ее бомбардировка ионами.

В четвертой главе содержится описание результатов экспериментального исследования физико-механических и физико-химических свойств текстильных материалов, обработанных потоком низкотемпературной плазмы.

Для определения свойств материалов использованы методы инфракрасной (ИК) спектроскопии, электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), электронной и оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Приведены технологические процессы модификации текстильных материалов.

В результате исследований установлено, что улучшение физико-механических свойств происходит без нарушения химического состава и микроструктуры волокна. Нити и ткани, обработанные потоком плазмы ВЧЕ-разряда, характеризуются большей прочностью растительных волокон (на 25-65%), у синтетических (на 8-12%), меньшим удлинением (на 16%); в текстильных тканях прочность повышается на 5-8%, а стойкость к истиранию - на 30-70%. Скорость смачиваемости ткани возрастает на 99, 99%, водопоглощение - на 840%, капиллярность - до 350%. Усадка текстильных нитей и тканей после воздействия плазменного потока уменьшается на 80-90 % и составляет 1,0-1,5% по сравнению с необработанным образцом.

Приложение содержит рисунки и акты использования результатов диссертационной работы на ОАО "Казанский льнокомбинат", ВНИПИМИ " Мед-инструмент". Суммарный экономический эффект на ОАО " Казанский льнокомбинат'^ внедрения технологических процессов ВЧ - плазменной модификации составляет 1260 млн. рублей (в ценах 1997г.).

Научная новизна работы заключается в следующем:

-найден диапазон изменения параметров плазменного потока (мощность разряда от 0,1 до 1,5 кВт, плотность тока в разряде от 0,2x104 до 0,6x104 А/м2, напряженность магнитного поля от 8 до 135 А/м; скорость плазменного потока от 30 до 120 м/с) от режимов поддержания параметров ВЧЕ-разряда низкого давления, в котором происходит модификация тканей и нитей при изменении расхода плазмообразующего газа (О) от 0 до 0,08 г/с; давления в рабочей камере (Р) от 26 до 100 Па; напряжения на электродах (ивч) от 280 до 320 В и частоты поля (1) 13,56 МГц;

-доказано, что в результате взаимодействия потока плазмы ВЧЕ-разряда, горящего между плоскопараллельными пластинами, с текстильными материалами в отличие от других видов