Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Современные функциональные синтетические волокнистые материалы. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 137 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

восстановительные свойства обрабатываемых материалов. При обработке карбоцепных полимерных волокон барьерным разрядом в плазме воздуха на их поверхности образуются карбонильные и гидроксильные группы. Это позволяет использовать данный вид обработки для повышения адгезионных свойств волокон при их дальнейшем применении в композиционных материалах.

К недостаткам обработки плазмой барьерного разряда относят

повышенную энергоемкость (напряжение порядка 20–30 кВ) и необходимость применения специальных источников питания, к которым предъявляются повышенные требования безопасности их использования. В процессе модификации материалов барьерным разрядом происходит выделение озона, что требует размещения плазменного оборудования в изолированных помещениях с особой системой очистки воздуха. Кроме того, при изменении таких характеристик, как смачиваемость поверхности волокнистых материалов, эффективность действия барьерного разряда существенно ниже тлеющего [412].

Известны примеры применения плазмы искрового разряда для

модификации волокнистых материалов [413, 414], где эффекты плазменной обработки заключаются в изменении гидрофильных свойств поверхности образцов. Однако использование искрового разряда крайне ограничено, что связано со значительными изменениями структуры полимеров в процессе обработки и приводит к ухудшению физико-механических характеристик образцов. Кроме того, для достижения эффектов плазменной модификации в искровом разряде необходимо значительно более продолжительное время обработки по сравнению с другими типами разрядов [130].

Для нанесения тонких металлических покрытий на волокнистые

материалы используются методы магнетронного распыления. В магнетронных распылительных устройствах между катодом и анодом после подачи постоянного напряжения зажигается тлеющий разряд, а с помощью магнитного поля плазма локализуется у поверхности катода, где в скрещенных электрическом и магнитных полях по циклоидальным траекториям двигаются электроны, ионизируя атомы рабочего газа. При этом распыление поверхности катода происходит ионами, ускоренными в катодном падении потенциала, а эмитированные вторичные электроны поддерживают горение разряда.

Металлизация текстильных материалов методом магнетронного

распыления для придания эстетических и специальных свойств является достаточно развитым направлением разработок и исследований.

Вопросы металлизации полимерных пленок и текстильных материалов рассмотрены в работах Б. Л. Горберга, А. И. Максимова и В. А. Титова [415–417].

В работе [418] описано использование обращенного цилиндриче-

ского магнетрона, работающего при давлении рабочего газа 10–100 Па и индукции магнитного поля над поверхностью катода 2–10 кГс, для напыления медных покрытий на диэлектрические волокна. Использование катода цилиндрической формы повышает коэффициент его использования по сравнению с плоским катодом, а также увеличивает скорость распыления. Получаемые текстильные материалы могут применяться в качестве компонентов для волокнистых композиционных материалов с электроэкранирующими свойствами.

Авторами [419] методом ионно-плазменного магнетронного рас-

пыления получены материалы на основе арамидной ткани с нанесенным на них наноструктурированным покрытием из аморфного гидрогенизированного углерода с ферромагнитными частицами. Напыление производилось на вакуумной установке магнетронного напыления конвейерного типа фирмы Leybold Heraus (Германия) в реактивной аргонводородной плазме с использованием металлической и графитовой мишеней. Полученные материалы характеризуются толщиной напыляемого покрытия 0,17–1,25 мкм в зависимости от расположения поверхности волокон по отношению к направлению напыления и обладают радиопоглащающими свойствами для СВЧ-диапазона от 1 до 300 ГГц.

В работе [420] для получения радиопоглащающих покрытий ис-

пользовалась вакуумная магнетронная установка шлюзового типа непрерывного действия с мишенями из кобальта, никеля, хрома, меди и углерода. Значения силы тока составляли 0,5–5,5 А, скорость движения подложки – 12–50 мм/с, продолжительность напыления – от 16 мин до 8 ч, скорость напыления – 12–20 нм/мин. В результате на синтетическом волокнистом материале были получены эластичные покрытия, характеризующиеся хорошей адгезией к подложке, но при этом анизотропией поглощения электромагнитного излучения. Данные материалы могут быть использованы для обеспечения электромагнитной совместимости компонентов в малогабаритных радиоэлектронных устройствах.

Авторами [421] методом магнетронного распыления в высокоча-

стотном разряде получены тонкопленочные покрытия из магнитных металлов на диэлектрических волокнах. В качестве плазмообразующего газа использован аргон, а в качестве мишени – магнитный нихром марки Х15Н60. Металлизированные таким образом волокна обладают

гидрофобностью и могут использоваться в средствах экранирования электромагнитных волн радиочастотного диапазона.

Магнетронное распыление позволяет наносить на диэлектриче-

ские волокнистые материалы как однокомпонентные, так и многокомпонентные и многослойные покрытия, обладает высокой производительностью, а также обеспечивает получение покрытий достаточно равномерной толщины, что позволяет снизить их толщину без потери функциональности. Основным недостатком является то, что эрозия катода происходит в узкой области, которая ограничена магнитным полем, что приводит к низкому коэффициенту использования мишени, равному примерно 25–50 % [422].

При использовании методов магнетронного осаждения покрытий

на волокнистую подложку необходимо обеспечить хорошую адгезию металлического слоя к поверхности полимера. К традиционным методам такой подготовки относят пропитку текстиля адгезивами, но это часто приводит к увеличению жесткости материала, изменению грифа и не всегда обеспечивает получение покрытий с хорошей эластичностью. Поэтому для предварительной обработки текстильной подложки перспективно применение методов, позволяющих повысить адгезию без нанесения дополнительных связующих. В данном случае могут быть использованы методы плазменной модификации, в частности высокочастотными разрядами, позволяющими активировать поверхность синтетических волокнистых материалов и регулировать микрорельеф для получения покрытий высокой равномерности.

Для модификации натуральных и синтетических волокнистых

материалов находит применение плазма высокочастотных (ВЧ) разрядов пониженного давления. При использовании высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда ввод энергии в плазму осуществляется с помощью электромагнитной индукции [423], а в высокочастотной емкостной (ВЧЕ) плазме разряд зажигается между электродами в электромагнитном поле, создаваемом токами высокой частоты [424, 425].

Применение ВЧ плазменной обработки является перспективным

методом для регулирования смачиваемости поверхности текстильных материалов из синтетических волокон, что делает возможным их пропитку различными функциональными препаратами. В работах [426–430] показано, что предварительная ВЧЕ плазменная модификация ПАН, ПЭФ и ПП материалов в плазме аргона или воздуха приводит к активации поверхности волокон, что позволяет увеличить их сорбционную способность при пропитке фосфор-, фторсодержащими и другими

функциональными составами. Данный эффект может быть использован при получении функциональных текстильных материалов для нанесения и закрепления составов и наполнителей на синтетической подложке. Авторами [431, 432] продемонстировано применение предварительной ВЧЕ плазменной обработки натуральных белковых волокнистых материалов перед их пропиткой антибактериальными препаратами на основе наночастиц серебра, что позволяет получать материалы, обладающие фунгицидными и бактериостатическими свойствами. Однако данные технические решения не позволяют получать функциональные текстильные материалы из синтетических волокон с антибактериальными свойствами, устойчивыми к влажно-тепловым обработкам и многократным стиркам, поэтому актуальным остается вопрос усовершенстования технологий получения материалов с устойчивыми свойствами.

Для нанесения дисперсного антибактериального наполнителя на

волокнистый материал возможно применение плазмы ВЧИ разряда пониженного давления. В работах [433, 434] использовано приспособление для подачи в разрядную камеру смеси плазмообразующего газа и наночастиц серебра, при прохождении через плазменный сгусток происходит активация поверхности наночастиц, что делает их реакционноспособными и позволяет получить волокнистые материалы с бактерицидными свойствами. Данный метод нашел свое применение для модификации натуральных коллаген- и кератинсодержащих волокнистых материалов, но высокая температура, создаваемая на поверхности образцов, ограничивает его применение для модификации термочувствительных текстильных материалов из синтетических волокон.

ВЧ плазменная обработка имеет перспективы применения для об-

работки трикотажных и тканых полотен, используемых в производстве одежды повышенной комфортности. В работе [435] обработка в ВЧЕ плазме пониженного давления применяется для модификации полиэфирных костюмных и плательных тканей с целью улучшения гигиенических свойств изготавливаемых из них изделий. После модификации в плазме воздуха происходит увеличение показателей гигроскопичности текстильных материалов на 15–30 %, что способствует поддержанию оптимального микроклимата в пододежном пространстве. Авторами [436] показано, что обработка в плазме аргона текстильных материалов, содержащих ПЭФ волокна, обеспечивает повышение прочности на 10–20 %, что позволяет изготавливать на их основе швейные изделия с повышенной формоустойчивостью. Кроме того, ВЧЕ плазменная модификация

позволяет получать различные эффекты на противоположных сторонах обрабатываемых полотен [437, 438], что делает перспективным применение данного метода для двусторонней модификации многослойных функциональных текстильных материалов.

Плазма ВЧ-разряда пониженного давления имеет перспективы

применения для модификации высокопрочных синтетических волокнистых материалов, используемых для создания резинотехнических изделий и композиционных материалов с полимерными матрицами. В работе [439] показано, что в результате плазменной модификации в среде аргона капиллярность арамидных волокон по эпоксидной матрице возрастает на 30–80 %, что позволяет использовать данные материалы для получения КМ с повышенной адгезионной прочностью. Авторами [440] продемонстрированы аналогичные эффекты ВЧЕ плазменной обработки, заключающиеся в повышении смачиваемости модифицированных высокомодульных высокомолекулярных полиэтиленовых волокон эпоксидным связующим на 86 %. Используемые режимы обработки приводят к упорядочиванию аморфной фазы полимера, а также образованию активных групп, что позволяет улучшить взаимодействие волокон с полимерными связующими и получить композиционные материалы с повышенной прочностью. В работах [441, 442] представлены результаты влияния ВЧ плазменной модификации на повышение адгезионных свойств СВМПЭ волокон к полиэфирным матрицам для получения на их основе КМ для судо- и автомобилестроения. В способе [443] ВЧ плазменная обработка используется для повышения силы связи арамидного корда с резиновой матрицей, при этом плазменная модификация обеспечивает повышение адгезионного взаимодействия между кордом и резиной на 28–44 % при сохранении стадии пропитки корда резорцинформальдегидным составом или его замене на систему изоцианата и хлористого метилена или дихлорметана. Предложенный метод модификации осуществляется в плазме кислорода при мощности разряда 2,5 кВт и продолжительности обработки до 60 мин. Данные режимы модификции являются достаточно интенсивными и в условиях сильного окислительного воздействия кислородной плазмы могут оказывать существенное влияние на прочностные характеристики текстильных материалов из синтетических волокон, обладающих меньшей устойчивостью, чем исследуемые в данном способе арамидные волокна. Кроме того, актуальной остается разработка технологий активации текстильной основы из синтетических волокон с целью повышения

адгезии к функциональным компонентам с сокращением применения или исключением адгезивов.

Методы модификации плазмой ВЧ-разряда пониженного давле-

ния могут быть использованы не только для улучшения адгезионного взаимодействия волокнистого наполнителя с полимерной матрицей, но и для повышения физико-механических свойств волокнистых материалов, используемых для армирования композитов. В способе [444] ВЧЕ плазменная модификация СВМПЭ волокон в плазмообразующей смеси газов аргона и пропан-бутана приводит к повышению их модуля упругости на 25 % и уменьшению ползучести в 2,75 раза. Авторами [445–448] установлено, что ВЧЕ плазменная обработка позволяет повысить прочность СВМПЭ волокон на 10–15 % и арамидных волокон – на 20 % по сравнению с немодифицированными образцами. В работе [449] обработка плазмой ВЧЕ-разряда пониженного давления используется для улучшения термостойкости волокнистых материалов, повышая температуру начала потери массы образцов на 36 °С. Перечисленные эффекты влияния ВЧ плазменной модификации на физикомеханические свойства волокон в совокупности с повышением их адгезионных свойств демонстрируют перспективность данного метода при разработке функциональных материалов на текстильной основе из синтетических волокон. Необходимо отметить, что значительная часть исследований влияния ВЧЕ плазменной модификации на физико-механические характеристики текстильных материалов из синтетических волокон посвящена высокопрочным волокнам, однако такие характеристики, как термостойкость, устойчивость к УФ-излучению, а также прочность и способность к растяжению представляют интерес для всех основных видов полимерных волокнистых материалов.

Проведенный обзор свидетельствует о перспективности приме-

нения плазменных методов модификации для направленного регулирования поверхностных, физических и механических свойств текстиля из синтетических волокон в контексте создания на его основе разнообразных функциональных материалов. При этом особую актуальность приобретают методы ВЧ плазменной модификации, что связано с возможностью обработки всех основных многотоннажных синтетических волокнистых материалов без термодеструкции. ВЧ плазменная модификация является экологичной и ресурсоэффективной технологией, позволяющей улучшать гигиенические свойства текстильных изделий, а также сорбционные, адгезионные, прочностные и другие физико-механические свойства однослойных и многослойных волокнистых

материалов. Методы ВЧ плазменной обработки могут быть использованы в совокупности с другими методами модификации для функционализации поверхности волокон и получения многофункциональных материалов сложной пространственной структуры [450–452].

В настоящее время интерес представляет сочетание современных

методов модификации для получения функциональных текстильных материалов защитного назначения, обеспечивающих защиту человека от биологических, токсических, электромагнитных и других вредных техногенных факторов раннего постиндустриального общества. Актуальность данного направления обусловлена существующими в современном мире рисками развития эпидемий, экологической обстановкой в городах, активным развитием средств беспроводных телекомуникацией и транспорта. Применение методов ВЧ плазменной модификации позволяет увеличить сорбционные и адгезионные характеристики синтетического текстиля для нанесения и закрепления функциональных наполнителей, связующих и покрытий. Однако для получения материалов с заданными свойствами необходимо детальное понимание эффектов ВЧ плазменной модификации синтетических волокон, оптимизация параметров плазменного воздействия и режимов технологических обработок.

Для разработки функциональных текстильных материалов ак-

туально использование методов металлизации поверхности волокон, позволяющих получать текстиль с повышенной гидрофобностью, термо- и УФ-стойкостью, а также электроэкранирующими свойствами. При этом для металлизации поверхности волокон возможно использование методов магнетронного распыления, которые позволяют получать как однокомпонентные, так и многокомпонентные покрытия достаточно равномерной толщины. Однако для получения эластичных металлических покрытий, обладающих хорошей адгезией к синтетической волокнистой подложке, необходима разработка технологий подготовки поверхности модифицируемого материала к металлизации и методов защиты покрытия. В данном случае ВЧ плазменная модификация может быть использована для активации поверхности волокнистых материалов, а также регулирования их микрорельефа, что потенциально обеспечит повышение равномерности и толщины покрытий, улучшение адгезии металлических покрытий к волокнистой подложке и снижение их толщины без потери функциональности.

Таким образом, на сегодняшний день прогноз развития и приме-

нения методов модификации текстиля из синтетических волокон

характеризуется положительной динамикой, что связано с необходимостью внедрения инновационных технологий, позволяющих направленно регулировать характеристики волокнистых материалов для получения конкурентоспособной продукции с функциональными свойствами. Особую актуальность приобретает ВЧ плазменная модификация, являясь ресурсоэффективной и экологичной технологией, позволяющей в широком диапазоне регулировать свойства синтетических текстильных материалов различного волокнистого состава, а также в сочетании с другими методами модификации получать текстильные материалы с функциональными свойствами. При этом к настоящему времени накоплен достаточно большой объем экспериментальных данных, характеризующих в основном изменение свойств синтетических волокнистых материалов под влиянием ВЧ-плазмы, однако механизм происходящих при этом физико-химических изменений изучен недостаточно. Особый интерес представляет оценка стабильности и воспроизводимости достигаемых эффектов, выявление лимитирующих процессов модификации синтетических волокон, потенциал комбинирования методов модификации, а также разработка и масштабирование плазменных технологий обработки текстиля.

9. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ И МЕТАЛЛИЗАЦИИ

СИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

В настоящее время для получения функциональных синтетических материалов интерес представляет применение современных методов модификации, среди которых перспективным является плазменная модификация, позволяющая направленно регулировать поверхностные, физические и механические свойства синтетических материалов различной структуры. Применение ВЧ плазменной модификации не приводит к термодеструкции полимеров, а метод отличается экологичностью и ресурсоэффективностью. Кроме того, плазменные методы могут быть использованы совместно с другими методами модификации синтетических материалов, что обуславливает перспективы их применения для получения многофункциональных материалов с комплексом различных характеристик.

Для модификации синтетических материалов применяются ВЧ плазменные установки, конструкционные особенности которых позво- ляют обрабатывать материалы различной структуры и дисперсности.

На рис. 9.1 представлена опытно-промышленная ВЧЕ плазменная установка (ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань), позволяющая производить плазменную модификацию материалов в различных плазмообразующих газах. При плазменной модификации мощность разряда регулируется путем изменения входных параметров установки, а именно подаваемой мощности. Плотность тока в плазме составляет от 0,3 до 1,0 А/м2, плотность ионного тока на поверхности модифицируемых материалов – от 0,5 до 11 А/м2, энергия ионов в слое положительного заряда – до 100 эВ [453].

На рис. 9.2 представлена промышленная ВЧЕ плазменная установка «ВАТТ 4000 ПТ ПЛАЗМА» (ЗАО «Ферри Ватт», г. Казань), предназначенная для модификации рулонных материалов. Перематывающее устройство (рис. 9.3) позволяет устанавливать скорость перемотки рулонного материала, постоянное натяжение которого обеспечивается натяжными роликами. Плазменная установка состоит из вакуумной камеры с внутренней оснасткой, системы вакуумной откачки, ВЧ-генератора, системы охлаждения и пульта управления (рис. 9.4). Технические характеристики установки представлены в табл. 9.1.

а б

Рис. 9.1. Опытно-промышленная ВЧЕ плазменная установка для

модификации материалов: а – внешний вид установки; б – схема

установки; 1 – ВЧ-генератор; 2 – электроды; 3 – вакуумная камера;

4 – система откачки воздуха; 5 – крышка вакуумной камеры;

6 – система подачи рабочих газов; 7 – система управления;

8 – система охлаждения; 9 – диагностический комплекс;

10 – модифицируемый образец [453]

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 137 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]