CC BY
54
УДК 678
Е. А. Сергеева, К. Д. Костина
АНАЛИЗ АССОРТИМЕНТА И СПОСОБОВ МОДИФИКАЦИИ АРМИРУЮЩИХ ТКАНЕЙ
ДЛЯ МЯГКИХ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ
Ключевые слова: волокно, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, ткань, плазма.
Проведен обзор рынка химических волокон. Приведена классификация синтетических волокон. Установлен метод активации ткани из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Проведен литературный обзор характеристик ткани, модифицированной плазмой.
Keywords: fibers, extremely-macromolecularpolyethylene, fabric, plasma.
The review of the market of chemical fibers is carried out. Classification of synthetic fibers is given. The method of activation of fabric from Ultra-high molecular weight polyethylene, (UHMW PE) is established. The literary review of characteristics of the fabric modified by plasma is carried out.
Химические волокна и нити получили широкое распространение, и их баланс в общем производстве текстильных материалов все более увеличивается. Химические нити и волокна подразделяют на искусственные (получаемые из природного сырья) и синтетические, производимые из полимеров, в основе которых продукты переработки нефти, угля и газа. Синтетические волокна и нити с успехом применяются для производства рыболовных сетей, разнообразных резино-технических изделий, в качестве фильтровальных и электроизоляционных материалов, для изготовления спецодежды, технических сукон, крученых изделий.
Синтетические волокна существенно потеснили натуральные и искусственные волокна в производстве некоторых видов изделий, особенно технического назначения, они не подвержены гниению, стойки к агрессивным средам, излучению и т.д. [1]. Наибольшую долю в объеме мирового потребления и производства синтетических волокон и нитей занимают полиамидные (ПА), ПЭФ и полиолефино-вые волокна, аналогичное распределение долей прогнозируется и в России.
Развитию производства полиолефиновых волокон способствовало преимущественно наличие дешевого сырья. Эти волокна обладают комплексом ценных эксплуатационных свойств, таких как прочность, хемостойкость, устойчивость к истиранию и т.д., что делает их незаменимыми в изготовлении технической продукции и КМ.
Производство полиолефиновых волокон и нитей (в основном из полипропилена) в последние годы растет, и в текстильную продукцию перерабатывается 20-25% полипропиленовые (1111) и лишь 1-2% полиэфирные (ПЭ), в общем объеме производства 1111 волокна и нити занимают 3 место после ПЭФ ни ПА волокон.
ПЭ ткани, обладающие высокой хемостой-костью, можно с успехом использовать для фильтрации агрессивных сред. Большой интерес представляет применение полиолефиновых волокон для изготовления ионообменных тканей, нетканых и фильтрующих материалов, а также КМ, обладающими уникальными свойствами.
Основным недостатком ПА и ПЭФ волокон является очень низкая гигроскопичность. Высокая
плотность и степень упорядоченности внутренней структуры, отсутствие гидроксильных групп в макромолекулах придают волокну гидрофобные свойства, что затрудняет соединение с другими материалами, например, ПА и ПЭФ текстильных кордов с резиной.
На основе полиолефиновых волокон изготавливают армированные пластики, эксплуатируемые при умеренных температурах. К полиолефино-вым волокнам относятся волокна из СВМПЭ, получаемые методом гель-формования [2], сочетающие высокую удельную прочность, стойкость к физическим воздействиям и химическим средам. Они выгодно отличаются от подобных материалов, полученных с применением других волокон, своим облегченным весом. Это важно для изготовления частей автомобилей, самолетов, ракет, катеров, яхт и других изделий. Волокнистая основа армированных пластиков должна иметь небольшие разрывные деформации.
Синтетические волокна и нити являются достаточно прочным и дешевым материалом, что делает их незаменимыми для изготовления упаковочных и других изделий народного и технического назначения. Волокна из СВМПЭ являются хорошим заменителем арамидных волокон в КМ, они намного дешевле и устойчивы к действию влаги. Недостатком СВМПЭ волокон является их инертность, за счет чего адгезия волокон с полимерной матрицей недостаточно высокая. В этой связи, аналогично ПЭ и ПЭФ кордным волокнам и нитям актуальным является регулирование свойств поверхности (капиллярности, смачиваемости) для увеличения прочности соединения волокон со связующим материалом матрицы.
Низкотемпературная плазма тлеющего разряда является эффективным средством изменения свойств поверхности полимерных материалов. В тлеющем разряде обработка текстильных материалов осуществляется в зоне положительного столба и характеризуется постоянством напряженности электрического поля, его мощности и ровным свечением [3].
Улучшение смачиваемости текстильных материалов связано со структурно-конформационной перестройкой поверхностного
слоя под действием высокоэнергетических частиц плазмы тлеющего разряда.
Улучшение адгезионных свойств материалов происходит за счет взаимодействия полимеров с кислородной плазмой, что проводит к образованию гидроксильных и карбонильных групп.
Известно, что плазмохимическая обработка синтетических волокон, используемых в качестве наполнителей, приводит к улучшению их адгезии к некоторым синтетическим связующим, что приводит к существенному упрочнению КМ.
К недостаткам плазмы тлеющего разряда можно отнести то, что его разрядный промежуток чередуется темными и светлыми участками; по вольтамперной характеристике имеет область насыщения, область таусендовского разряда, переходную область и области нормального и аномального тлеющего разряда. Результат обработки зависит от величины контактирующей с плазмой суммарной площади поверхности обрабатываемых изделий, в плазме тлеющего разряда невозможно обрабатывать термически малоустойчивые материалы. Высокочастотный индукционный (ВЧИ) разряд применяется в качестве нагревателя газа, источника света, технологического устройства (например, плазмохими-ческого реактора). В индукционном разряде способ ввода энергии в плазму основан на использовании явлений электромагнитной индукции, при атмосферном и более высоких давлениях плазма ВЧИ-разряда находится в состоянии локального термического равновесия или близка к этому состоянию [4]. Недостатками ВЧИ плазменной обработки является ограниченность области воздействия плазменного разряда, а также возможная деструкция синтетических волокон из-за нагрева материала.
Высокочастотный емкостной (ВЧЕ) разряд зажигается между электродами за счет электрического поля, генерируемого токами высокой частоты. На основании исследований [5] установлено, что при обработке капиллярно-пористых и волокнистых материалов применение неравновесной низкотемпературной плазмы (ННТП) ВЧЕ разряда позволит комплексно улучшить свойства материалов.
Плазма ВЧЕ разряда обладает следующими преимуществами: эффективно и устойчиво изменяет поверхностные свойства образца, не ухудшает объемных (в том числе физико-механических) характеристик, не нагревает материал до температуры, вызывающей его расплавление или деструкцию. Изменяя параметры разряда и вид плазмообразующего газа можно управлять составом химически активных частиц и, следовательно, характером воздействия ВЧЕ разряда на текстильный материал [6].
Изменяя параметры электрического разряда, вид плазмообразующего газа, можно управлять составом химически активных частиц и, следовательно, характером воздействия ВЧЕ разряда на текстильный материал. Сильная неравновесность плазмы, генерируемая ВЧЕ разрядом пониженного давления с энергией частиц до 100 эВ, приводит к модификации внутренних и наружных поверхностных слоев текстильных материалов, при этом обрабатываемый в плазме материал остается холодным,
что позволяет с помощью плазменного потока получать эффекты, недостижимые другими видами плазменного воздействия.
Таким образом, обработка синтетических волокон, нитей, тканей потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления является новым перспективным способом обработки материалов текстильной и легкой промышленности, позволяет повысить адгезионные и сорбционные характеристики, улучшить физическо-механические свойства волокон и нитей. 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 синтетических волокон и нитей, а также изделий из них является актуальным. Перспективным материалом для изготовления мягких ава-риестойких баков является прорезиненная ткань на основе нитрильного каучука. В настоящее время в качестве тканевой основы используется арамидная ткань Русар. В практике при изготовлении мягких баков зачастую происходит отслаивание резины от армирующей ткани, что приводит к большому количеству брака при изготовлении баков и выходу баков из строя при эксплуатации. Учитывая высокие показатели волокна СВМПЭ целесообразно заменить ткань Русар на активированную плазмой ткань из СВМПЭ.
Согласно материалам работ Е.А. Сергеевой, активация ткани из СВМПЭ приведет к росту прочностных показателей материала на 50-70% и к уменьшению плотности композита в силу того, что СВМПЭ существенно легче. Арамидное волокно в среднем имеет плотность 1.16 г/см 3 , против 0,97 г/см 3 для СВМПЭ. При обработке плазмой СВМПЭ ткань повышает свою прочность ~ на 1015% и, что самое важное, становится гидрофильным, то есть способным к восприятию любых пропиточных составов с увеличением показателя адгезии ткань -резина в 2,25 раза. Кроме того, вместо традиционных пропиточных составов, которые традиционно используются перед обрезиневанием ткани возможно применение полиуретановых пропиточные составы [7-9].
СВМПЭ волокно в 15 раз прочнее некоторых марок стали, на 40% прочнее арамидных волокон, на 5% легче морской воды. Благодаря высокой энергии адсорбции 50-70-106 Дж/м3, ВВПЭ-волокна в первую очередь эффективно используют в качестве энергопоглощающих материалов. Они толерант-ны к разрушению. Волокнам присущи высокая ударная вязкость и высокий уровень поглощения ударной энергии. Скорость звука в волокнах Бупееша®8К-76 составляет ~ 12000 м/с, в то время как для Кевлара и Тварона она лежит в диапазоне 7000-8000 м/с. Такая высокая скорость звука в волокнах позволяет рассеять энергию удара очень быстро по большой площади.
Высокие удельные свойства СВМПЭ волокна открывают возможность создания ультралёгких и высокопрочных КМ на их основе. Такие КМ будут обладать также высокой химической устойчи-
востью к воздействию агрессивных сред, уникальными диэлектрическими свойствами, минимальными гигроскопичностью и коэффициентом трения, высоким шумопоглощением и резким увеличением прочности в области отрицательных температур. Согласно обзору литературы и приведенным данным можно считать, что активированная плазмой ткань из СВМПЭ является перспективным материалом для изготовлении авариестойких мягких топливных баков.
Литература
1. Айзенштейн, Э.М. Мировой и российский рынки химических волокон и нитей в 2007г. / Э.М. Айзенштейн // Хим.волокна. - 2008. - № 6. - С. 49-59.
2. Геллер, Б.Э. Практическое руководство по физикохи-мии волокнообразующих полимеров / Б.Э. Геллер, А.А. Геллер, В.Г. Чиртулов. - М. : Химия, 1996. - 432 с.
3. Гильман А.Б., Ришина Л.А.Структурные превращения в объеме полипропилена под действием плазмы. // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б. Т. Х1-5.Прикладная химия плазмы.2006.- С. 183-188
4. Гайнуллин, Р.Н. Метод диагностики плазмы высокочастотного индукционного разряда /Р.Н. Гайнуллин, А.П. Кирпичников //Прикл. физика. - 2008. - N 5. - С.44-49.
5. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменная обработка в динамическом вакууме капиллярно-пористых материалов. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, Л.Н. Абуталлипова, В.С. Желтухин, И.В. Красина. - Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 2004. - 428с.
6. Хамматова, В.В. Регулирование формовочной способности текстильных материалов с использованием плазменных технологий: дис. д-ра техн. наук: 05.19.01. - Казань. - 2006. - 316 с.
7. Сергеева. Е.А. Влияние плазмы ВЧЕ-разряда на физико-механические свойства волокон и композиционных материалов / Е.А. Сергеева, И.А. Гришанова, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №7. - С. 109-112.
8. Сергеева. Е.А. Влияние природы и состава плазмообра-зующей среды на физико-механические свойства высокомодульных полиэтиленовых волокон / Е.А. Сергеева, И.А. Гришанова, С.В. Илюшина, М.Ф. Шаехов // Вестник Казанского технологического университета. -2010. -№10.. - С.187-190.
9. Сергеева. Е.А. Гидрофилизация поверхности тканей на основе волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с помощью плазменной обработки / Е.А. Сергеева, Букина Ю.А., Ершов И.П. // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - №17. - С. 110-112.
© Е. А. Сергеева - проф. каф. ПНТВМ КНИТУ, [email protected]; К. Д. Костина - аспирант каф. ПНТВМ КНИТУ, [email protected].
© E. A. Sergeeva - prof. of the department «Plasma- and nanotechnology high-molecular materials», KNRTU, [email protected]; K D. Kostina - post graduate of the department «Plasma- and nanotechnology high-molecular materials», KNRTU, [email protected].
