Читать книгу Новые технологии и материалы легкой промышленности: IX Международная научно-практическая конференция - Коллектив авторов - Страница 3

УДК 677.3:533.9.01

Л.Р. Джанбекова, В.С. Желтухин, И.Ш. Абдуллин

ФГБОУ ВПО "КНИТУ", г. Казань

Эффективным способом модификации различных материалов, в том числе кожи, меха и тканей, является обработка в неравновесной плазме высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления [1]. Воздействие плазмы позволяет придавать изделиям из кожевенно-меховых материалов гидрофильные или гидрофобные свойства, улучшать физико-химические свойства, технологические и эксплуатационные характеристики. Широкий диапазон возможных видов модификации обеспечивается особенностями взаимодействия ВЧ плазмы пониженного давления с материалами.

Исследования плазменного воздействия на нетканые материалы на базе натуральных полимеров (обувные и технические картоны, войлоки) показали, что изменение их свойств не всегда может быть описано уже известными способами [2-3]. Это связано с тем, что структура нетканых материалов является более сложной, чем структура изученных ранее капиллярно-пористых объектов легкой промышленности, так как на многоуровневую структуру последних накладывается еще один структурный уровень – материала в целом.

Разработанная физическая модель позволила сформулировать научные положения об основном механизме плазменной модификации нетканых материалов на базе отходов кожевенно-мехового производства. Физическая модель заключается в следующем. Вследствие большей подвижности электронов по сравнению с ионами, образец нетканого материала, помещенный в ВЧ плазму пониженного давления, приобретает отрицательный заряд, а из-за колебаний электронного газа в окрестности образца возникает слой положительного заряда (СПЗ) толщиной 1,5-2 см. Ионы плазмы ускоряются в электрическом поле СПЗ до энергии 70-100 эВ и бомбардируют поверхность образца.

Нетканые материалы обладают развитой пористой и капиллярной структурой. Поэтому, в отличие от обработки материалов сплошной структуры электроны ионы плазмы проникают в них на значительную глубину. При этом электроны создают слои объемного отрицательного заряда, а ионы, передавая свою кинетическую энергию и энергию рекомбинации молекулам материала, модифицируют свойства поверхностных слоев образца.

Вследствие колебаний электронного газа, толщины СПЗ и, соответственно, потенциалы СПЗ с противоположных сторон образца осциллируют в противофазе друг с другом. На этот эффект накладываются колебания плотности объемного заряда, возникающие по следующей причине. Поток ионов на поверхность образца практически постоянен, поскольку тяжелые ионы не успевают реагировать на ВЧ колебания поля и дрейфуют в постоянном поле СПЗ. Электроны же попадают внутрь нетканого материала в течение лишь той части периода колебаний ВЧ электромагнитного поля, когда вектор напряженности электрического поля направлен от образца.

Колебания потенциалов СПЗ с противоположных сторон образца нетканого материала в совокупности с колебаниями объемного заряда являются причиной возникновения в объеме обрабатываемого высокочастотного электрического поля напряженностью ~10⁵-10⁶ В/м. Натуральные биополимеры (кератин, коллаген и целлюлоза), являющиеся основными компонентами войлока или картонов, поляризуются в этом электрическом поле. Вследствие небольшой энергии ионизации полимеров и малой работы выхода электронов, во внутренних объемах между волокнами шерсти в войлоке, фрагментами кожи и крафт-целлюлозы в картонах, а также в макро-, микро- и нанопорах этих материалов возникают электрические разряды.

Заряженные частицы, появляющиеся в результате разрядов во внутренних промежутках нетканых материалов, рекомбинируют на внутренних поверхностях с выделением энергии рекомбинации от 12,1 до 20,2 эВ, в зависимости от вида ионов. Гашение кинетической энергии заряженных частиц в приповерхностных слоях нетканых материалов и выделение энергии рекомбинации на внешних и внутренних поверхностях приводят к разрыву слабых поперечных водородных связей и связей, образованных силами Ван-дер-Ваальса, конформации полимерных цепей, изменению упорядоченности как в макромолекулах коллагена и целлюлозы, так и в надмолекулярных структурах, и, как следствие, изменению физико-механических и эксплуатационных характеристик материала в целом.

Разработанные на базе физической модели научно-технологические основы получения нетканых материалов на основе отходов кожевенно-мехового производства, модифицированных неравновесной низкотемпературной плазмой, позволяют прогнозировать эксплуатационные и физико-химические свойства материала независимо от структуры и классов компонентов, входящих в состав нетканого материала, а также обосновывают режимы плазменной модификации, позволяющие достигать заданных параметров свойств нетканого материала.

Литература

1. Абдуллин, И. Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. – Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2000. – 348 с.

2. Вознесенский, Э.Ф. ВЧ плазменная модификации надмолекулярной структуры натурального коллагенсодержащего материала / Э.Ф. Вознесенский, Г.Р. Рахматуллина, И.Ш. Абдуллин, И.В. Красина // XXXVII Звенигородская конф. по физике плазмы и УТС: сб. тезисов докладов. – Звенигород, 2010. – С. 267.

3. Абдуллин, И.Ш. Особенности наноструктуры кожевенного материала, полученного с применением высокочастотной плазменной обработки / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, И.В. Красина, Г.Н. Кулевцов, Л.Р. Джанбекова // Нанотехника. –2008. – № 4. – С. 75–78.