Изучение влияния потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на физико-механические характеристики шерстяных волокон в процессе первичной обработки шерсти

В процессе первичной обработки шерсти при приложении внешних сил наибольшее значение имеют механические свойства волокон, в частности прочность на разрыв (крепость), которая оказывает влияние на технологический цикл дальнейшей ее переработки. Следует отметить, что отечественное шерстяное сырье, поставляемое на предприятия ПОШ, в основном низкого качества. На современном этапе развития производства шерстяных материалов все активнее для изготовления дорогостоящей и эксклюзивной одежды предлагаются валяные шерстяные ткани и трикотажные полотна, которые в процессе их производства подвергаются дополнительному механическому воздействию. В связи с этим необходимо улучшать механические характеристики, в частности прочность на разрыв, отечественного шерстяного сырья. Повышение прочности шерстяных волокон обеспечивает улучшение технологических и эксплуатационных свойств получаемых текстильных шерстяных материалов и изделий из них. Критерием оценки предела прочности шерстяного волокна до и после обработки в плазме высокочастотного разряда пониженного давления является значение показателя относительной разрывной нагрузки (Ро, сН/текс).

Повышение механических свойств волокон шерсти достигалось за счет варьирования характеристик плазмы, таких как энергия ионов (Wj, эВ) и плотность ионного тока (j, А/м"), которые зависят от мощности разряда (Wp, кВт), давления в вакуумной камере (Р, Па), расхода плазмообразующего газа (G, г/с). На основании проведенных теоретических исследований [148, 149] по влиянию плазмы ВЧЕ-

разряда пониженного давления на капиллярно-пористые материалы, установлено, что в зависимости от вида плазмообразующего газа возможно варьирование показателей гидрофильных и гидрофобных свойств. Улучшение показателей гидрофильных свойств достигается за счет применения в качестве плазмообразующего газа инертного газа аргон, а улучшение показателей гидрофобных свойств - за счет использования смеси газов аргон-пропан-бутан в соотношении 70/30%. В связи с этим исследования влияния плазменной обработки на показатели физико-механических свойств шерстяных волокон проведены в два этапа: на первом - влияние плазменной модификации на показатели исследуемых свойств в гидрофильном режиме, на втором - в гидрофобном.

Технологические параметры потока плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления для гидрофильного режима изменялись в следующих пределах: мощность разряда Wp=0,l - 2,1 кВт, расход газа G от безрасходного до 0,08 г/с. Неизменными оставались: вид плазмообразующего газа - аргон и давление в рабочей камере Р=26,6 Па. Продолжительность плазменной обработки варьировалась в диапазоне 1-9 мин. Определение разрывной нагрузки шерстяных волокон проведено как на контрольных образцах, так и на образцах, обработанных потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления в гидрофильном режиме при расходе плазмообразующего газа GA1- 0,04 г/с, времени воздействия t = 5 мин, давлении в вакуумной камере Р=26,6 Па и варьировании мощности разряда Wp= 0,1 - 2,1 кВт.

Данные исследования показателя разрывной нагрузки в зависимости от мощности разряда представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Показатель разрывной нагрузки шерстяных волокон в зависимости от мощности разряда (ВЧЕ-разряд: t = 5 мин, GAr = 0,04 г/с, Р = 26,6 Па, f= 13,56 МГц).

Мощность разряда, кВт

Показатель разрывной нагрузки шерсти

Мериносовая

Полутонкая

Полуг

рубая

Ро, сН/текс

ЛРо, %

Ро, сН/текс

ДРо, %

Ро, сН/текс

ДРо, %

1

2

3

4

5

6

7

Контрольный (без ННТП)

6,38

-

7,13

-

9,15

-

0,1

6,45

1,09

7Д?

1,12

9,22

0,76

0,2

6,52

2,19

7,30

2,38

9,29

1,53

0,3

6,63

3,92

7,46

4,63

9,46

3,39

0,4

6,75

5,80

7,63

7,01

9,64

5,35

0,5

6,85

7,37

7,79

9,26

9,81

7,21

0,6

7,02

10,03

7,96

11,64

9,98

9,07

0,7

7,19

12,69

8,12

13,88

10,16

11,04

0,8

7,34

15,05

8,27

15,99

10,36

13,22

0,9

7,49

17,39

8,43

18,23

10,56

15,41

1,0

7,61

19,28

8.62

20,89

10,77

17,70

1,1

7,75

21,47

8,81

23,56

10,98

20,00

1,2

7,90

23,82

8,98

25,95

11,22

22,62

1,3

8,05

26,17

9,16

28,47

11,49

25,57

1,4

8,21

28,68

9,35

31,14

11,82

26,99

1,5

8,42

31,97

9,51

33,13

11,92

30,27

1,6

8,58

34,48

9.63

35,06

11,42

24,81

1,7

8,76

37,30

9,77

37,03

10,92

19,34

1,8

8,88

39,18

9,34

30,99

10,38

13,44

1,9

8,50

33,23

8,81

23,56

9,78

6,88

2,0

8,12

27,27

8,28

16,13

9,18

0,33

2,1

7,81

24,60

7,98

11,92

9,02

-1,42

На основании экспериментальных данных, представленных в табл. 3.1, выявлены оптимальные значения мощности разряда в рабочей камере, которые составляют: для мериносового волокна Wp=l,8 кВт, для полутонкого - Wp=l,7 кВт и для полугрубого -Wp=1,5kBt.

Как показали результаты экспериментальных исследований (табл. 3.1), образцы шерстяных волокон, обработанные плазмой ВЧЕ-разряда пониженного давления, имеют показатель разрывной нагрузки выше, чем контрольные образцы. При фиксированных значениях давления и расхода газа с повышением показателя мощности ВЧЕ-разряда до 1,0 кВт возрастает энергия ионов и плотность ионного потока на поверхность, что обуславливает увеличение показателя разрывной нагрузки от 17,7 до 20,9% в зависимости от вида волокна.

При дальнейшем увеличении мощности разряда от 1,5 до 1,8 кВт происходит рост энергии ионов при постоянной плотности ионного тока, доля мощности, вкладываемой в разряд, возрастает и расходуется на увеличение теплового потока в рабочей камере [89]. При этом показатель разрывной нагрузки достигает максимальных значений и составляет для мериносового волокна 39,18%, для полутонкого - 37,7% и для полугрубого - 30,27%. Соответственно оптимальные значения мощности разряда для мериносовой шерсти 1,8 кВт, для полутонкой - 1,7 кВт и для полугрубой - 1,5 кВт.

При дальнейшем увеличении мощности разряда до 2кВт энергия ионов и плотность ионного тока не изменяются, а вся дополнительно вкладываемая в разряд мощность расходуется на увеличение теплового потока, поступающего из плазмы на поверхность шерстяных волокон, расположенных в плазме. В результате показатель разрывной нагрузки снижается от 11 до 30% в зависимости от вида волокон. Максимальное уменьшение показателя относительной разрывной нагрузки (Ро> сН/текс) наблюдается у полугрубого волокна, что связано с его морфологическим строением. Дальнейшее повышение мощности разряда до 2,1 кВт приводит к термической деструкции волокон [147].

Для установления оптимального параметра мощности разряда выполнено математическое моделирование вышеприведенных экспериментов. Обработку результатов экспериментов осуществляли методом регрессионного анализа, а расчеты производились в программе Statistica 6.0.

Математическое уравнение второго порядка, описывающее соотношение между значениями разрывной нагрузки (Ро, сН/текс) и исследуемыми факторами мощности разряда (W, кВт) и продолжительности плазменной обработки (t, мин), имеет следующий вид:

- для волокон мериносовой шерсти

Ро = 1,447+1,93324+3,595-W-0,172342-0,25454-W-0,7073-W2

- для волокон полутонкой шерсти

Ро = 1,4444+2,0614+4,3326-W-0,186842-0,20524-W-1,0838-W2

- для полугрубой шерсти

Ро = 0,9368+2,46434+5,2467W-0,2355t2-0,1436tW-l,6946W2

Изменения значений мощности и продолжительности обработки в виде поверхности отклика (а) и контура поверхности отклика (б) представлены на рис. 3.1 - 3.3.

а б

Рис. 3.1. Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности и времени воздействия для мериносовой шерсти (GAr = 0,04 г/с, f = 13,56 МГц, Р = 26,6 Па)

Ро. сН'текс

б

Рису. 3.2. Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности и времени воздействия для полутонкой шерсти (GAr - 0,04 г/с, f - 13,56 МГц, Р = 26,6 Па)

а б

Рис. 3.3. Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности и времени воздействия для полугрубой шерсти (GAr = 0,04 г/с, f = 13,56 МГц, Р = 26,6 Па)

На основе графиков математического моделирования (рис. 3.1 -3.3) установлено, что на механические свойства шерстяных волокон, обработанных потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления, оказывает влияние время обработки образцов. Результаты экспериментальных исследований зависимостей показателей относительной разрывной нагрузки от времени воздействия плазмой на шерстяные волокна представлены на рис. 3.4

? мериносовая Wp= 1 ,8кВт * - плутонкая Wp=l ,7кВт

А полугрубая ?р=1,5кВт

Рис. 3.4. Изменение показателя относительной разрывной нагрузки шерстяных волокон в зависимости от времени воздействия (ВЧЕ-разряд: GAr = 0,04 г/с, Р = 26,6 Па, f= 13,56 МГц)

Как видно из представленных графиков, характер кривых для всех типов волокон в зависимости от времени воздействия однотипен. Изменение показателя разрывной нагрузки носит экстремальный характер по сравнению с необработанными образцами. При обработке волокон шерсти потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления в течение t = 5 мин увеличение показателя разрывной нагрузки модифицированных образцов относительно контрольных составляет у мериносового волокна - на 39 %, у полутонкого - на 37% и у полугрубого - на 30 % [150]. Это связано с упорядочением структуры и увеличением кристаллической фазы белка. Дальнейшее увеличение времени экспозиции образцов приводит к снижению показателя разрывной нагрузки в связи с преобладанием термического воздействия плазмы, приводящего к деструкции волокна.

Плазменная обработка шерстяных волокон позволяет воздействовать на опытный образец по всему объему и всей площади. В корковом слое и сердцевине волокна шерсти имеются поровые пространства, заполненные воздухом. Внутри обрабатываемого шерстяного волокна существует электрическое поле, обусловленное разностью электрических потенциалов, создаваемых плазменными слоями с разных сторон от его поверхности. Как следствие происходит переориентация положительно заряженных функциональных групп аминокислот, изначально направленных к сердцевине, которые входят в состав кератина и внешнего слоя волокна. Данный процесс приводит к поляризации кортекса в целом и увеличению его кристаллической фазы [151].

На показатель разрывной нагрузки существенное влияние оказывают расход плазмообразующего газа. Результаты экспериментального исследования влияния расхода плазмообразующего газа аргона на прочностные характеристики шерстяных волокон представлены на рис. 3.5. На основе проведенного анализа кривых (рис. 3.5) установлено, что при постоянных значениях давления в разрядной камере, времени плазменной обработки, мощности разряда и варьировании расхода газа от 0 до 0,02 г/с происходит рост энергии ионов от 10 до 22 эВ и увеличение плотности ионного тока до 0,35 А/м2. В данных режимах обработки показатель относительной разрывной нагрузки (ДР0,%) повышается на 13-27,5% в зависимости от вида волокна и плазмообразующего газа. Дальнейшее увеличение расхода газа до 0,04 г/с приводит к росту энергии ионов, при этом плотность ионного тока возрастает до 1,1 А/м2, вследствие чего показатель разрывной нагрузки достигает максимального значения в аргоновой плазме от 30,27 до 39,18% в зависимости от вида волокна.

—?— мериносовая —полутонкая —полугрубая

Рис. 3.5. Изменение показателя относительной разрывной нагрузки шерстяных волокон в зависимости от расхода плазмообразующего газа аргон (Р = 26,6 Па, t=5 мин, f = 13,56 МГц, для мериносовой шерсти Wp=l,8 кВт, для полутонкой Wp=l,7 кВт, для полугрубой Wp=l,5 кВт)

Для определения значений мощности разряда и расхода плазмообразующего газа (аргон) в процессе воздействия плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на мериносовые, полутонкие и полугрубые шерстяные волокна проведена оптимизация данных параметров. Математическое уравнение второго порядка, описывающее соотношение между значениями разрывной нагрузки (Р0; сН/текс) и исследуемыми факторами мощности разряда (W, кВт) и расхода плазмообразующего газа (GAr, г/с), имеет следующий вид:

- для волокон мериносовой шерсти

Ро= -6,8531 + 14,2635 ? W + 247,3993 • G - 3,4984 ? W2- 63,3818 ? W- G-2212,0035- G2

- для волокон полутонкой шерсти

Ро=0,168 + 10,9872 • W + 77,8461 • G - 4,0975 • W2+20,9766 W • G- 1324,0341 • G2

- для волокон полугрубой шерсти

Ро =-9,6133+ 22,4845 -W +247,8276 • G - 7,4338 • W2- 17,845 -

W • G-2646,2411 • G2

Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности и расхода плазмообразующего газа (аргон) для мериносовой шерсти (ВЧЕ-разряд

Рис. 3.6 Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности и расхода плазмообразующего газа (аргон) для мериносовой шерсти (ВЧЕ-разряд: t=5 мин, Р = 26,6 Па, f= 13,56 МГц)

Wp, кВт

б

Ро. сН/текс

Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности и расхода плазмообразующего газа (аргон) для полутонкой шерсти (ВЧЕ-разряд

Рис. 3.7. Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности и расхода плазмообразующего газа (аргон) для полутонкой шерсти (ВЧЕ-разряд: t=5 мин, Р = 26,6 Па, f = 13,56 МГц)

Wp. кВт

Ро. сМ/текс

Wp. кВт

а б

Рис. 3.8 Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности разряда и расхода плазмообразующего газа (аргон) для полугрубой шерсти (ВЧЕ-разряд: t=5 мин, Р = 26,6 Па,(' = 13,56 МГц)

На основе анализа рис. 3.6 - 3.8 установлено, что плазменная обработка шерстяного сырья в среде аргона способствует увеличению показателя разрывной нагрузки при значениях мощности разряда: для мериносовых волокон - Wp= 1,8 кВт, полутонких - Wp= 1,7 кВт, полугрубых - Wp= 1,5 кВт расход плазмообразующего газа равен GAr = 0,04 г/с.

Сопоставив экспериментальные данные с результатами оптимизации параметров плазменного воздействия (мощности разряда, расхода и вида плазмообразующих газов) и времени обработки, установлено, что наибольшее увеличение показателя разрывной нагрузки достигается в аргоновой плазме:

  • - у мериносового волокна в режиме Gat = 0,04 г/с, Р = 26,6 Па, Wp=l,8 кВт, t=5 мин, в котором показатель разрывной нагрузки возрастает на 39,18%;
  • - у полутонкого волокна в режиме GAr = 0,04 г/с, Р = 26,6 Па, Wp=l,7 кВт, t=5 мин, в котором разрывная нагрузка увеличивается на 37,03 %;
  • - у полугрубого волокна в режиме Gat = 0,04 г/с, Р = 26,6 Па, Wp=l,5 кВт, t=5 мин, в котором показатель разрывной нагрузки взрастает до 30,27 %.

Прочностные характеристики шерстяных волокон обусловлены наличием цистиновых (дисульфидных) связей. В состав цистина входит сера, имеющая существенное значение для прочности шерстяных волокон. Результаты экспериментальных данных влияния плазменной обработки в гидрофильном режиме на содержание серы в шерстяных волокнах представлены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Оценочные концентрации серы в шерстяных волокнах

Вид волокна

Концентрация серы, %

Мериносовые

Полутонкие

Полугрубые

Контрольное

12,7

12,5

12,7

Модифицированное в аргоновой плазме

13,9

13,3

13,1

На основе анализа табл. 3.2 установлено, что обработка шерсти в аргоновой плазме высокочастотного разряда пониженного давления приводит к увеличению концентрации серы в мериносовых волокнах на 9,5%, в полутонких на - 6,4% и в полугрубых на - 3,1%.

В процессе первичной обработки шерсти на этапе промывки применяются сульфанол и кальцинированная сода. Плазменная обработка шерстяного сырья в ВЧЕ-разряде пониженного давления приводит к разрыву межмолекулярных связей и цепей макромолекул, в результате чего повышается химическая активность кератина. При последующей промывке за счет сульфгидрильно-дисульфидного обмена происходит взаимодействие активных центров концевых остатков кератина с сульфанолом, вследствие чего концентрация серы в составе волокон увеличивается.

Следующей не менее важной проблемой шерстяных волокон является придание изделиям из них способности сохранять линейные размеры при воздействии атмосферных осадков, химической чистки, а также при влажно-тепловой обработке. Усадка материалов оказывает неблагоприятное влияние на стабильность конструкции и формы изделий, приводит к изменению их размеров при носке, ухудшению внешнего вида и в итоге - к непригодности одежды для дальнейшей эксплуатации.

В процессе первичной обработки шерсти на этапе промывки волокно подвергается воздействию температуры, воды и химических реагентов (сульфанола и кальцинированной соды), вследствие чего происходит его усадка. Экспериментальные исследования влияния плазменной обработки на относительный показатель усадки шерстяных волокон проведены в два этапа: на первом исследовано влияние плазменной обработки на показатель усадки волокон, а на втором - влияние процессов промывки и сушки. На рис. 3.9 представлены зависимости влияния плазменной модификации шерстяного сырья в гидрофильном режиме на суммарный показатель усадки контрольных и опытных образцов шерстяных волокон.

? контрольный образец ? модифицированный образец

Рис. 3.9. Влияние плазменной обработки на относительную усадку шерстяных волокон (ВЧЕ-разряд: Р = 26,6 Па, f = 13,56 МГц, для мериносовой шерсти Wp = 1,8 кВт, для полутонкой Wp = 1,7 кВт, для полугрубой Wp= 1,5 кВт, GAr = 0,04 г/с, t = 5 мин)

На основании анализа гистограммы, представленной на рис. 3.20, установлено, что в результате воздействия плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления суммарный показатель усадки опытных образцов шерстяных волокон составил в аргоновой плазме 4,8 - 5,6%, в то время как у контрольных образцов, данный показатель равен 2,3-2,7% в зависимости от вида волокна [152]. Сокращение линейных размеров опытных образцов шерстяных волокон после плазменной модификации происходит благодаря конформационным изменениям макромолекул волокон шерсти, вследствие чего наблюдается усиление водородных связей между аминогруппами и гидроксилами боковых цепей а-спирали и аминокислотными остатками матрикса, что приводит к уплотнению надмолекулярной структуры шерстяных волокон, в результате чего происходит их усадка. В процессе промывки шерсти волокна набухают, что вызывает ослабление связей между макромолекулами. Последующая сушка шерсти приводит к дополнительному уплотнению надмолекулярной структуры.

Необходимо отметить, что плазменная обработка шерстяного сырья в процессе его первичной обработки способствует осуществлению полной усадки шерстяных волокон, что приводит к стабилизации размеров волокна. У контрольных образцов, напротив, на последующих стадиях жидкостной обработки происходит значительное изменение линейных размеров волокон.

Немаловажное значение в процессе переработки шерстяного сырья имеют его сорбционные свойства. Увеличение показателей сорбционных свойств в процессе первичной обработки шерсти способствует более легкому проникновению моющего раствора в глубь волокна, что определяет параметры и качество выполнения технологического процесса промывки шерстяного сырья.

Критерием оценки сорбционных свойств шерстяных волокон до и после обработки в плазме высокочастотного разряда пониженного давления является значение показателей водопоглощаемости (Пв,%) и гигроскопичности (Wr %). На рис. 3.10 и 3.11 представлены изменения водопоглощаемости и гигроскопичности шерстяных волокон в зависимости от времени воздействия плазменной обработки.

Пв, %

  • —?—мериносовая Wp=1,8kBt
  • —?—полутонкая А?р=1,7кВт
  • ? полугрубая Wp= 1,5кВт

Рис. 3.10. Изменение водопоглощаемости шерстяных волокон в зависимости от времени плазменного воздействия (ВЧЕ-разряд: Р = 26,6 Па, t = 5 мин, GAr = 0,04 г/с, f = 13,56 МГц)

? полугрубая Wp=1,5kBt

Рис. 3.11. Изменение гигроскопичности шерстяных волокон в зависимости от времени плазменного воздействия (ВЧЕ-разряд: Р = 26,6 Па, t = 5 мин, GAr = 0,04 г/с, f = 13,56 МГц)

На основании анализа кривых, представленных на рис. 3.10, установлено, что в результате модификации мериносового, полутонкого и полугрубого шерстяного волокна потоком аргоновой плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления в течение 5 мин показатель водопоглощаемости мериносового волокна увеличился на 61,1%, полутонкого - на 36,7% и полугрубого - на 44,2%.

Результаты исследований влияния плазменной обработки в зависимости от времени воздействия на показатель

гигроскопичности шерстяных волокон (рис. 3.11) показали, что в течение 5 мин гигроскопичность достигает максимального значения и увеличивается у мериносового волокна на 7,8%, у полутонкого - на 9,8% и у полугрубого - на 10%. Очевидное преимущество поглощения влаги волокнами мериносовой шерсти по сравнению с полутонкими и полугрубыми шерстяными волокнами связано с различиями их морфологического строения. Бомбардировка ионами наружной поверхности капиллярно-пористого тела способствует раскрытию чешуек кутикулы, что обеспечивает более легкое проникновение влаги в глубь волокон.

Рекомбинация ионов на внутренней поверхности микропоры приводит к конформационным преобразованиям макромолекулы кератина, в результате чего происходит образование сильных ассоциатов за счет усиления межмолекулярных связей между сильнополярным кислородом карбоксильных групп и водородом гидроксилов боковых цепей а-спирали [153].

Одной из важнейших характеристик качества неокрашенных текстильных материалов является их белизна. В связи с этим исследовано влияние плазменной обработки шерстяного сырья на белизну волокон. Показатель белизны шерстяных волокон в процессе первичной обработки шерсти оказывает влияние на последующие стадии ее переработки: с увеличением показателя белизны волокон расширяются возможности применения цветовой палитры красителей в процессе крашения ровницы и шерстяных текстильных материалов.

Экспериментальные исследования влияния плазменной обработки ВЧЕ-разряда пониженного давления на степень белизны шерстяных волокон проводились на контрольных и опытных образцах. Зависимости влияния плазменной обработки на степень белизны шерстяных волокон представлены на рис. 3.12. На основании анализа гистограммы, представленной на рис. 3.12, установлено, что образцы, обработанные в аргоновой плазме ВЧЕ-разряда пониженного давления, имеют показатель белизны выше, чем у контрольных образцов. Показатель белизны волокон, обработанных в аргоновой плазме, увеличился с 11,9 до 12,8% в зависимости от вида волокна.

  • ? контрольный
  • ? опытный аргон

Рис. 3.12. Изменение степени белизны шерстяных волокон (гидрофильный режим: для мериносовой шерсти Wp=l,8 кВт, для полутонкой Wp=l,7 кВт, для полугрубой Wp=l,5KBm, Р = 26,6 Па, GA,= 0,04 e/c,t = 5 мин, f = 13,56 МГц)

На втором этапе проведены исследования влияния плазменной модификации шерстяного сырья в гидрофобном режиме на физикомеханические свойства волокон шерсти. Технологические параметры плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления для гидрофобного режима варьировались в следующих пределах: мощность разряда Wp=0,1-2,1 кВт, расход газа G - от безрасходного до 0,08 г/с. Неизменными оставались вид плазмообразующего газа (аргон -пропан-бутан в соотношении 70/30%) и давление в рабочей камере (Р=26,6 Па). Продолжительность плазменной обработки варьировалась от 1 до 9 мин.

Определение разрывной нагрузки шерстяных волокон, модифицированных в гидрофобном режиме, проведено как на контрольных, так и на опытных образцах при расходе плазмообразующего газа Gapr0H . Пропан-буган= 0,06 г/с, времени воздействия t = 6 мин, давлении в вакуумной камере Р=26,6 Па и варьировании мощности разряда Wp=0,1-2,1 кВт. Данные исследования показателя разрывной нагрузки в зависимости от мощности разряда представлены на рис 3.13.

Ро, сН/текс

Изменение показателя относительной разрывной нагрузки образцов волокон шерсти в зависимости от мощности разряда (Р — 26,6 Па, t 6 мин, (Заргон-пропан-бутан~ 0,06 г/с,$ 13,56 МГц)

Рис. 3.13. Изменение показателя относительной разрывной нагрузки образцов волокон шерсти в зависимости от мощности разряда (Р — 26,6 Па, t 6 мин, (Заргон-пропан-бутан~ 0,06 г/с,$ 13,56 МГц)

Анализ кривых, представленный на рис. 3.13, показывает, что плазменная обработка шерстяного сырья в среде смеси газов - аргон -пропан-бутан (70/30%) способствует увеличению показателя разрывной нагрузки мериносовых волокон на 27,1% полутонких - на 26,5% и полугрубых - на 23,1%. Оптимальными значениями мощности разряда, при которых достигаются максимальные значения показателя разрывной нагрузки, являются: для мериносовой шерсти -Wp=2 кВт; для полутонкой шерсти - Wp= 1,9 кВт; для полугрубой шерсти - Wp= 1,7 кВт.

На изменение показателя разрывной нагрузки волокон шерсти при плазменной модификации шерстяного сырья в гидрофобном режиме, как и в предыдущем случае (при модификации в гидрофильном режиме), существенное влияние оказывает время экспонирования опытных образцов. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 3.14.

На основе экспериментальных исследований (рис. 3.14) влияния длительности плазменного воздействия на шерстяное сырье в гидрофобном режиме установлено, что модификация шерстяного сырья в течение t = 6 мин независимо от типа волокон приводит к максимальному увеличению показателя разрывной нагрузки.

—?— мериносовая —?— полутонкая полугрубая

Рис. 3.14 - Изменение показателя относительной разрывной нагрузки шерстяных волокон в зависимости от времени воздействия (Р = 26,6 Па, Саргон.пропа11.бутан= 0,06 г/с, f = 13,56 МГц, для мериносовой шерсти Wp= 2 кВт; для полутонкой Wp= 1,9 кВт; для полугрубой Wp=l,7 кВт)

С целью оптимизации параметров обработки мощности разряда и продолжительности плазменной обработки волокон в среде смеси газов аргон - пропан-бутан выполнено математическое моделирование. Математическое уравнение второго порядка, описывающее соотношение между значениями разрывной нагрузки (Ро, сН/текс) и исследуемыми факторами мощности разряда (W, кВт) и продолжительности плазменной обработки (t, мин), имеет следующий вид:

- для волокон мериносовой шерсти

Ро = 4,4854+0,2825 • t+2,439 • W-0,0301 • t2+0,0244 • t • W-0,5606 • W2

- для волокон полутонкой шерсти

Ро=5,2305+0,3207 • t+3,3712 • W-0,0397 • t2+0,0725 • t • W-l ,0776 • W2

- для полугрубой шерсти

Po= 0,9368+2,4643 • t+5,2467 • W-0,2355 • t2-0,1436 -1 - W-1,6946 • W2

На рис. 3.15 - 3.17 представлены поверхности отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности разряда и продолжительности плазменной обработки для мериносового, полутонкого и полугрубого волокна.

Проанализировав результаты оптимизации (рис. 3.15 - 3.17), выявили, что максимальные показатели разрывной нагрузки достигаются при следующих значениях мощности разряда и продолжительности плазменного воздействия в смеси газов аргон -пропан-бутан:

  • - у мериносового волокна Wp=2 кВт, t=6 мин показатель разрывной нагрузки возрастает на 27,1%;
  • - у полутонкого волокна Wp=l,9 кВт, t=6 мин показатель разрывной нагрузки увеличивается на 26,51 %;
  • - у полугрубого волокна Wp=l,7 кВт, t=6 мин увеличение показателя разрывной нагрузки составило 23,06 %.
Поверхность отклика

Рис. 3.15 Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика (на плоскости (б) при изменении мощности разряда и продолжительности плазменной обработки для мериносового вОЛОКНа (Gаргон-пропан-бутан — 0,06 г/с, Р = 26,6 Па, f = 13,56 МГц)

б

Po. сНтеи

«.5

  • 8
  • 15
  • 7
  • *

а

Поверхность отклика

Рис. 3.16 Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика (б) на плоскости при изменении мощности разряда и продолжительности плазменной обработки для полутонкого волокна (63аргон - пропан-бутан— 0,06 г/с, Р - 26,6 Па, f = 13,56 МГц)

а б

Рис. 3.17 - Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности разряда и продолжительности плазменной обработки для полугрубого волокна (63аргон - пропан-бутан~ 0,06 г/с, Р 26,6 Па, f 13,56 МГц)

Показатели разрывной нагрузки шерстяных волокон зависят от расхода плазмообразующего газа. Исследование влияния данных параметров плазменной обработки на показатель разрывной нагрузки проведено при варьировании расхода газа G от 0 до 0,08 г/с, в качестве плазмообразующего газа использована смесь газов аргон -пропан-бутан (70/30%). На рис. 3.18 представлены результаты исследований изменения относительной разрывной нагрузки (дР0, сН/текс) в зависимости от расхода плазмообразующего газа.

  • —?— мериносовая
  • —?— полутонкая

полугрубая

Рис. 3.18. Изменение показателя относительной разрывной нагрузки шерстяных волокон в зависимости от расхода плазмообразующего газа аргон — пропан-бутан (70/30%) (Р = 26,6 Па, t=6 мин, f = 13,56 МГц для мериносовых волокон Wp=2,0 кВт, для полу тонких Wp=l,9 кВт, для полугрубых Wp=l,7 кВт)

Использование в качестве плазмообразующего газа смеси аргон-пропан-бутан при расходе 0,06 г/с способствует образованию на поверхности волокна углеродсодержащего слоя, вследствие чего максимальные значения показателей относительной разрывной нагрузки составляют от 23,06 до 27,1 % в зависимости от вида волокна. Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к снижению прочностных показателей волокон, что связано с уменьшением плазменного эффекта за счет снижения как энергии ионов, так и плотности ионного тока, а также возрастания теплового потока [89].

Для определения значений мощности разряда и расхода плазмообразующих газов при плазменной обработке шерстяных волокон в смеси газов аргон - пропан-бутан в соотношении 70/30% проведена оптимизация данных параметров, результаты которой представлены на рис. 3.19-3.21.

Математическое уравнение второго порядка, описывающее соотношение между значениями разрывной нагрузки (Ро, сН/текс) и исследуемыми факторами мощности разряда (W, кВт) и расхода плазмообразующего газа (Gapr0H. пропан-буган, г/с) имеет следующий вид:

- для волокон мериносовой шерсти

Ро = 4,0764+2,2851 • W+64,4038 • G-0,7716 • W2+13,2805 • W • G-816,4869 G2

- для волокон полутонкой шерсти

Ро = 1,6852+4,9327 • W+79,1084 • G-1,2593 • W2+4,8777 • W • G-702,2914 G2

- для волокон полугрубой шерсти

Ро = 2,3434+0,7038 • t+7,558 • W-0,0872 • t2+0,1592 • t • W-2,4957 • W2

Puc. 3.19. Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности разряда и расхода газа (70% аргон / 30% пропан-бутан) для мериносовой шерсти (ВЧЕ-разряд: t = 6мин, Р = 26,6Па,f= 13,56 МГц)

а б

Рис. 3.20. Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности разряда и расхода газа (70% аргон / 30% пропан-бутан) для полутонкой шерсти (ВЧЕ-разряд: t = 6мин, Р = 26,6 Па)

а б

Рис. 3.21. Поверхность отклика (а) и контуры поверхности отклика на плоскости (б) при изменении мощности разряда и расхода газа (70% аргон /30%) пропан-бутан) для полугрубой шерсти (ВЧЕ-разряд: t = 6 мин, Р = 26,6 Па)

На основе проведенного анализа рис. 3.19 - 3.21 установлено, что плазменная обработка шерстяных волокон в смеси газов аргон -пропан-бутан (70/30%) при постоянных значениях давления Р=26,6 Па и продолжительности плазменного воздействия t = 6 мин способствует максимальному увеличению показателя разрывной нагрузки при мощности разряда для мериносового волокна Wp = 2 кВт, полутонкого - Wp = 1,9 кВт, полугрубого - Wp = 1,7 кВт и расходе плазмообразующего газа для всех типов волокон б^аргон - пропан-бутан— 0,06 г/С.

Сопоставив экспериментальные данные с результатами оптимизации параметров плазменного воздействия (мощность разряда, расход плазмообразующих газов) и времени обработки, установили, что наибольшее увеличение показателя разрывной нагрузки (Ро, сН/текс) волокон шерсти при модификации шерстяного сырья в смеси газов аргон/пропан-бутан в соотношении 70/30% достигается:

  • - у мериносового волокна в режиме GaproH/nponaH.6yTaH = 0,06 г/с, Р = 26,6 Па, Wp=2 кВт, t=6 мин Ро (сН/текс) возрастает на 27,1%;
  • - у полутонкого волокна в режиме Оаргон-пропан-бутан = 0,06 г/с, Р = 26,6 Па, Wp=l,9 кВт, t=6 мин Ро (сН/текс) увеличивается на 26,51 %;
  • - у полугрубого В режиме СаргОн/пропан-буган = 0,06 г/с, Р = 26,6 Па, Wp=l,7 кВт, t=6 мин Ро (сН/текс) увеличивается на 23,06 %.

Прочность шерстяных волокон, как отмечено ранее, обусловлена наличием дисульфидных связей, основой которых является сера, имеющая существенное значение для исследуемой характеристики. Результаты экспериментальных данных влияния плазменной обработки в гидрофобном режиме на содержание серы в шерстяных волокнах представлены в табл. 3.3. На основе анализа данных табл. 3.3 установлено, в результате модификации шерстяных волокон в смеси газов аргон - пропан-бутан в соотношении 70/30 % концентрация серы возрастает у мериносовой шерсти на 5,5%, у полутонкой - на 4% и у полугрубой - на 2,4%.

Таблица 3.3

Оценочные концентрации серы в шерстяных волокнах

Вид волокна

Концентрация серы, %

Мериносовые

Полутонкие

Полугрубые

контрольное

12,7

12,5

12,7

модифицированное в смеси газов аргон-пропан-бутан (70/30%)

13,4

13,0

13,0

В процессе первичной обработки шерсти на этапе промывки применяются сульфанол и кальцинированная сода. Плазменная обработка шерстяного сырья в ВЧЕ-разряде пониженного давления приводит к разрыву межмолекулярных связей и цепей макромолекул, в результате чего повышается химическая активность кератина. При последующей промывке за счет сульфгидрильно-дисульфидного обмена происходит взаимодействие активных центров концевых остатков кератина с сульфанолом, вследствие чего концентрация серы в составе волокон увеличивается.

На следующем этапе исследований проведено изучение влияния плазменной обработки шерстяного сырья в гидрофобном режиме на показатель усадки волокон шерсти. Экспериментальные исследования влияния плазменной обработки на относительный показатель усадки шерстяных волокон, также как при модификации в гидрофильном режиме, проведены в два этапа: на первом исследовано влияние плазменной обработки на показатель усадки волокон, а на втором - влияние процессов промывки и сушки. На рис. 3.22 представлены зависимости влияния плазменной модификации шерстяного сырья на суммарный показатель усадки контрольных и опытных образцов шерстяных волокон. На основании анализа гистограммы, представленной на рис. 3.22, установлено, что в результате воздействия плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления суммарный показатель усадки опытных образцов шерстяных волокон составил 3,5 - 4,3% в зависимости от вида волокон, у контрольных образцов данный показатель равен 2,3-2,7% в зависимости от вида волокна.

Сокращение линейных размеров опытных образцов шерстяных волокон после плазменной модификации в гидрофобном режиме происходит благодаря конформационным изменениям макромолекул волокон шерсти, что приводит к уплотнению надмолекулярной структуры шерстяных волокон, в результате чего наблюдается их усадка. На этапе промывки волокна шерсти набухают, что приводит к ослаблению связей между макромолекулами. Сушка шерсти способствует дополнительному уплотнению надмолекулярной структуры шерстяных волокон [152].

? модифицированный образец (аргон-пропан-бутан (70/30%))

Рис. 3.22. Влияние плазменной обработки на показатель усадки шерстяных волокон (ВЧЕ-разряд: Р = 26,6 Па, f = 13,56 МГц, Gаргон - пропан-бутан.= 0,06 г/с, t=6 мин, для мериносовой Wp=2 кВт, для полутонкой Wp=l,9 кВт, для полугрубой Wp=l,7 кВт)

—?—мериносовая ?р=2кВт

А полугрубая Wp=1,7kBt

? полутонкая ?р=1,9кВт

Рис. 3.23. Изменение водопоглощаемости шерстяных волокон зависимости от времени плазменного воздействия (ВЧЕ-разряд: Р 26,6 Па, t 6 MUH, Gаргон-пропан-бутан 0,06 г/с, f 13,56 МГIf)

В зависимости от сортности шерстного сырья в процессе переработки важным является как увеличение показателей сорбционных свойств, так и их уменьшение. Снижение показателя сорбционных свойств необходимо для низкосортного шерстяного сырья с целью предохранения его от проникновения серной кислоты в глубь волокна в процессе карбонизации. Экспериментальные данные влияния плазменной обработки в смеси газов аргон - пропан-бутан на сорбционные свойства (водопоглощение и гигроскопичность) шерстяных волокон представлены на рис. 3.23 и 3.24.

На основе проведенного анализа кривых (рис. 3.23) установлено, что обработка шерсти плазмой ВЧЕ-разряда пониженного давления в смеси газов аргон - пропан-бутан в течение 6 мин способствует снижению показателя водопоглощаемости мериносового волокна на 24,6%; у полутонкого - на 22,8% и у полугрубого - на 18,7%, при этом показатель гигроскопичности (рис. 3.24) снизился у мериносового волокна на 9,8%, полутонкого - на 10,4% и полугрубого - на 10,7%. При дальнейшем увеличении времени плазменной обработки начинает преобладать термическое воздействие плазмы, что приводит к деструкции образцов.

Снижение показателей сорбционных свойств шерсти обусловлено, во-первых, увеличением плотности прилегания друг к другу чешуек кутикулы, во-вторых, образованием на поверхности волокна углеродсодержащего слоя, обладающего гидрофобизирующими свойствами. Прилегание чешуек кутикулы происходит за счет переориентации к наружному корковому слою положительно заряженных активных групп аминокислот кератина, создающих повышенный положительный заряд, способный притянуть отрицательно заряженную кутикулу [153].

Wr, % 30,0

  • 29,5
  • 29,0
  • 28,5
  • 28,0
  • 27,5
  • 27,0
  • 26,5
  • 26,0
  • 25,5

',5 ',0 ;,5 ,0 ',5 ,0 •,5

  • •,0 ,5
  • 0123456789 t, мин
  • ? мериносовая У/р=2кВт
  • ? полутонкаяУр=1,9кВт

А— полугрубая?р= 1,5 кВт

Рис. 3.24. Изменение гигроскопичности шерстяных волокон в зависимости от времени плазменного воздействия (ВЧЕ-разряд: Р = 26,6 Па, t=6 мин, GapzoH.nponaH.6ymaH= 0,06 e/c,f= 13,56 МГц)

В процессе плазменной обработки в смеси газов аргон - пропан-бутан под действием энергии электромагнитного поля и при взаимодействии с ионами аргона происходит разрушение молекул углеводорода с образованием радикалов, атомов и ионов углерода. Вследствие локализации отрицательного потенциала плазмы на поверхности шерстяного волокна создаются условия для ионной бомбардировки его поверхности. Активация поверхности шерстяных волокон, на которую осаждается и одновременно фиксируется слой углерода, осуществляется благодаря ионному потоку инертного газа (аргон). Фиксация свободного углерода осуществляется посредством физической адсорбции. Углеводородные радикалы образуют с активными центрами кератина химические связи, инактивируя их, что обеспечивает снижение показателей сорбционных свойств шерстяных волокон [149].

Одной из важнейших качественных характеристик является белизна шерстяных волокон. Экспериментальные исследования влияния плазменной обработки ВЧЕ-разряда пониженного давления в гидрофобном режиме на степень белизны шерстяных волокон проводились на контрольных и опытных образцах. Зависимости влияния плазменной обработки на степень белизны шерстяных волокон представлены на рис. 3.25.

? контрольный ? опытный аргон/пропан-бутан(70/30%)

Рис. 3.25. Изменение степени белизны шерстяных волокон (для мериносовой Wp = 2 кВт, для полутонкой Wp =1,9 кВт, для полугрубой

— 1,7 кВт, Р — 26,6 Па, GapsoH.nponaH.gymaH — 0,06 е/с, t — 6 мин, f= 13,56 МГц)

На основании анализа гистограммы, представленной на рис. 3.25, установлено, что образцы, обработанные в плазме ВЧЕ-разряда пониженного давления, имеют показатель белизны ниже, чем у контрольных. В результате плазменной обработки шерстяных волокон в смеси газов аргон - пропан-бутан в соотношении 70/30% показатель белизны снизился на 6,1-6,6% в зависимости от вида волокна [154]. Снижение показателя белизны связано с образованием на поверхности волокна углеродсодержащей пленки толщиной 40-100 нм.

Проанализировав экспериментальные данные, можно сделать вывод, что обработка шерстяных волокон плазмой ВЧЕ-разряда пониженного давления способствует улучшению физикомеханических характеристик шерстяных волокон. Однако показатели физико-механических свойств шерстяных волокон, модифицированных в гидрофобном режиме, значительно ниже показателей свойств волокон, модифицированных в гидрофильном режиме. Это связано с тем, что в процессе плазменной обработки в гидрофобном режиме часть энергии разряда тратится на ионизацию углеводородных газов, вследствие чего создаются условия недостаточности энергии для достижения максимальных значений увеличения показателей физико-механических свойств шерстяных волокон.

В результате исследования физико-механических свойств модифицированных шерстяных волокон выявлено, что максимальные показатели достигаются:

  • • в гидрофильном режиме:
    • - у мериносовой шерсти при Wp=l,8 кВт, t=5 мин, GAr=0,04 г/с, Р = 26,6 Па, f = 13,56 МГц наблюдается увеличение прочности на 39,18%, водопоглощаемости - на 61,1 %, гигроскопичности - на 7,8 %, степени белизны - на 12,8%, при этом усадка сокращается на 51,6%;
    • - у полутонкой шерсти при Wp= 1,7 кВт, t = 5 мин, GAr = 0,04 г/с, Р = 26,6 Па, f = 13,56 МГц прочность возрастает на 37,03%, водопоглощаемость - на 36,7%, гигроскопичность - на 9,8%, степень белизны - на 11,9%, усадка сокращается на 23,9%;
    • - у полугрубой шерсти при Wp= 1,5 кВт, t = 5 мин, GAr = 0,04 г/с, Р = 26,6 Па, f = 13,56 МГц, прочность возрастает на 30,27%, водопоглощаемость - на 44,2%, гигроскопичность - на 10%, степень белизны - на 12,2%, усадка сокращается на 23,2 %;
  • • в гидрофобном режиме:
  • - у мериносовой шерсти при Wp = 2,0 кВт, t = 6 мин, GaproH-пропан-бутаи = 0,06 г/с, Р = 26,6 Па, f = 13,56 МГц наблюдается увеличение прочности на 27,1%, уменьшение показателя водопоглощаемости на 61,1 %, гигроскопичности - на 12,8 %, при этом усадка сокращается на 52,1%, степень белизны - на 6,5%;
  • - у полутонкой шерсти при Wp = 1,9 кВт, t = 6 мин, Саргон-пропан-бутан = 0,06 г/с, Р = 26,6 Па, f = 13,56 МГц ПрОЧНОСТЬ возрастает на 26,5%, снижаются показатели водопоглощаемости на 34,7%, гигроскопичности - на 13,2%, степени белизны - на 4,3%, усадки - на 28,6%;
  • - у полугрубой шерсти при Wp =1,7 кВт, t = 6 мин, Р = 26,6 Па, Саргон-пропан-бутан = 0,06 г/с, f = 13,56 МГц, ПрОЧНОСТЬ Возрастает На 23,1%, снижаются показатели водопоглощаемости на 44,2%, гигроскопичности - на 10,5%, степени белизны - на 2,1%, усадки - на 27,1 %.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >