Влияние ВЧЕ плазмы пониженного давления на свойства технических картонов

Для технических картонов важными свойствами, определяющими их качество, являются прочность, впитываемость воды, бензина и масла, линейная деформация, влажность, объемный вес и сжимаемость.

В качестве объектов исследования выбран технический картон марки МП, применяемый для изготовления уплотнительных автомобильных прокладок. Преимуществом данного материала является стойкость к многократным деформациям, эластичность, прочность, устойчивость к сухому и мокрому трению, однако технический картон обладает неудовлетворительными показателями впитываемости воды, бензина и масла, а так же характеризуется значительными изменениями линейных размеров деталей после вырубания. В связи с этим исследовалась возможность модификации технического картона марки МП с помощью ВЧЕ плазмы пониженного давления. Эффект воздействия низкотемпературной плазмы определяется строением обрабатываемого материала и параметрами плазмы.

Взаимодействие рассматриваемых материалов с ВЧЕ плазмой пониженного давления исследовали на различных стадиях технологического процесса производства картонов: вариант 1 - обработка готовых листов картона [334-337], вариант 2 - предварительная плазменная модификация волокнистых компонентов картона с последующей дополнительной обработкой готовых листов материала.

Обработка технических картонов с помощью ВЧЕ плазмы пониженного давления осуществлялась в следующих режимах: P = 26,6 Па, W_р = 1,3 кВт, расход плазмообразующего газа (аргон: пропан-бутан = 70: 30) G = 0,04 г/с, время обработки образцов варьировали t_обр = 5 ÷ 40 мин.

Изучение характеристик модифицированных материалов включало исследование их физико-механических свойств. По физико-механическим показателям технический картон марки МП должен соответствовать нормированным значениям основных характеристик материала.

Важным показателем картонов, от которого зависят прочность, жесткость, сопротивление истиранию, масса изделия является толщина материала. Технические картоны изготавливают толщиной от 1 до 4 мм, в зависимости от марки картона и назначения деталей.

На рис. 5.5 приведены результаты исследования влияния времени плазменной обработке на толщину картона марки МП. Из рисунка видно, что при модификации готовых листов картона марки МП (вариант 1) в течение t_обр = 5 мин идет незначительное увеличение толщины образцов (2,3 %), при предварительной обработки волокнистых компонентов картона и дополнительной модификации готовых листов материала (вариант 2) утолщение технического картона составляет 1 %. В процессе увеличения плазменного воздействия до t_обр = 15 мин толщина материала уменьшается при первом варианте обработки на 3 %, при втором варианте – на 2 %.

Характер кривых и наличие максимумов и минимумов можно объяснить спецификой воздействия плазмы на капиллярно-пористые материалы. При воздействии на образец ВЧЕ плазмы пониженного давления в течение t_обр = 5 мин на микроскопическом уровне происходят конформационные изменения в структуре волокон, наблюдается разрыхление элементов волокон, а при продолжительности обработки t_обр = 15 мин происходит усреднение пор, упорядочивание волокон и их уплотнение.

При обработке в течение t_обр = 40 мин вновь происходит утолщение картона, что связано с увеличением высокоэнергетического и термического воздействия плазмы. При модификации образцов в течение t_обр = 40 мин наблюдаются существенные изменения размеров трещин и углублений, образующихся вдоль оси целлюлозосодержащих волокон, это приводит к деструкции волокнистых компонентов, что значительно влияет на свойства готовых листов картона.

Т, мм

Рис. 5.5. Зависимость изменения толщины картона марки МП от времени плазменной обработки

Для картонов немаловажным показателем является плотность (объемный вес). Объемный вес зависит главным образом от степени уплотнения и характеризует рыхлость картона. Излишнее уплотнение картона может привести к его ломкости, жесткости и ухудшить его формуемость.

На рис. 5.6 представлены результаты исследования влияния времени плазменной обработки на объемный вес картона марки МП. Из графиков видно, что при ВЧЕ плазменной обработке, как в первом, так и во втором вариантах модификации при t_обр = 5 мин плотность понижается, что связано с разволокнением структуры картона марки МП при обработке его в этом режиме. Далее при обработке в течение t_обр = 15 мин происходит незначительное увеличение объемного веса картона (3 %), так как модификация картона в этом режиме приводит к структурированию материала. Дальнейшая обработка при t_обр = 40 мин приводит к понижению плотности материала, приближаясь к значению объемного веса необработанного образца, что связано с морфологическими изменениями, происходящими в структуре картона при обработке их с помощью НТП пониженного давления.

Vв, г/см3

Рис. 5.6. Зависимость изменения объемного веса картона марки МП от времени плазменной обработки

Перед разрубом листов картонов на детали целесообразно определить их влажность, так как влажность картонов существенно влияет на их физико-механические показатели. Влажность, вследствие гигроскопичности картонов и в зависимости от влажности окружающей среды, может колебаться в значительных пределах.

На рис. 5.7 представлены результаты исследования влияния времени плазменной обработки на влажность картона марки МП. Значение влажности при обоих вариантах модификации с увеличением времени обработки уменьшается. При продолжительности плазменной обработки в течение t_обр = 5 мин при первом варианте модификации влажность картона марки МП составляет 7 %, при втором варианте – 6,5 %, при дальнейшей обработке в течение t_обр = 15 мин значения показателя влажности незначительно повышается и остается постоянным несмотря на дальнейшее увеличение времени обработки (t_обр = 30 – 40 мин).

W, %

Понижение влажности связано с тем, что при обработке образцов с помощью ВЧЕ плазмы пониженного давления увеличивается высокоэнергетическое воздействие плазмы, которое приводит к уплотнению структуры. Обработка в смеси аргона с пропан-бутаном позволяет получить картон с гидрофобной поверхностью, что является одним из факторов, способствующих понижению впитываемости воды.

Рис. 5.7. Зависимость изменения влажности картона марки МП от времени плазменной обработки при P = 26,6 Па, W_р = 1,3 кВт, расход плазмообразующего газа (аргон: пропан-бутан = 70: 30) G = 0,04 г/с

Такие изменения влажности, естественно, обуславливают и значительные изменения линейных размеров вырубленных и формованных деталей, что создает большие трудности при их эксплуатации. Поэтому при транспортировке и хранении деталей необходимо обеспечивать соответствующие условия (упаковка, нормальный температурно-влажностный режим на складе).

Технические картоны при их производстве, а также при изготовлении и эксплуатации изделий из них, постоянно взаимодействуют с влагой и другими жидкостями. В связи с этим гигроскопические свойства, определяющие способность материалов поглощать и отдавать водяные пары и воду, являются одними из важнейших физических свойств технических картонов. При поглощении изменяются некоторые механические (прочностные, деформационные и др.) и физические (электростатические, оптические и др.) свойства, размеры и масса материалов.

На рис. 5.8 представлены результаты исследования влияния времени плазменной обработки на впитываемость картоном марки МП воды, бензина и масла. Анализ полученных кривых показал, что впитываемость картоном марки МП воды по отношению к контрольному образцу после ВЧ плазменной обработки готовых листов картона (вариант 1) при продолжительности модификации в течение t_обр = 15 мин уменьшается на 15 %, бензина - на 40 % и масла - на 15 %, а при предварительной модификации волокнистых компонентов картона и последующей обработки готовых листов материала (вариант 2) впитываемость воды понижается на 40 %, бензина на 55 % и масла на 35 %.

Вп, %

Рис. 5.8. Зависимость изменения впитываемости картона марки МП от времени плазменной обработки при P = 26,6 Па, W_р = 1,3 кВт, расход плазмообразующего газа (аргон: пропан-бутан = 70: 30) G = 0,04 г/с

Получение гидрофобной и лиофобной поверхности готовых листов картона связано с морфологическими изменениями структуры материала и со специфическим воздействием применяемого плазмообразующего газа, которое способствует гидрофобизации поверхности обрабатываемых образцов.

Прочность и деформация являются основополагающими характеристиками механических свойств материалов, применяемых в автомобилестроении. Только при определенных значениях этих показателей гарантируются проведение технологических операций изготовления изделий без их разрушения и надежная последующая эксплуатация этой продукции.

σ, кгс/мм2

Рис. 5.9. Зависимость изменения предела прочности в сухом виде картона марки МП от времени плазменной обработки в машинном направлении

Зависимости изменения предела прочности в сухом виде σ от времени обработки для картона марки МП представлены на рис. 5.9 и 5.10. Характер кривых предела прочности в сухом виде при первом и втором вариантах обработки картонов в машинном и поперечном направлениях одинаковы. Однако, при предварительной модификации волокнистых компонентов картона и последующей обработке готовых листов материала (вариант 2) достигаются более существенные результаты по повышению прочности: при t_обр = 15 мин σ увеличивается на 20 % в машинном направлении и на 35 % в поперечном направлении, тогда как при первом варианте обработки предел прочности картона марки МП, обработанного с помощью ВЧЕ плазмы пониженного давления, при времени воздействия в течение t_обр = 15 мин увеличивается лишь на 8 % в машинном направлении и на 15 % в поперечном направлении. Дальнейшее плазменное воздействие при t_обр = 30 - 40 мин на картоны приводит к уменьшению предела прочности в сухом виде, но при втором варианте σ остается выше контрольного образца.

σ, кгс/мм2

Рис. 5.10. Зависимость изменения предела прочности в сухом виде картона марки МП от времени НТП обработки в поперечном направлении

	D, %

Рис. 5.11. Зависимость изменения линейной деформации картона марки МП от времени НТП обработки в машинном направлении

На рис. 5. 11 и 5.12 представлены результаты исследования влияния времени плазменной обработки на линейную деформацию(D) картона марки МП. Из графиков, представленных на рисунках, видно, что линейная деформация образцов технического картона в машинном и поперечном направлениях при обоих вариантах плазменной обработки снижается. Максимального значения D достигает при t_обр = 15 мин и далее незначительно повышается, но при воздействии в течение t_обр = 40 мин остается ниже значения линейной деформации необработанного образца.

	D, %

Рис. 5.12. Зависимость изменения линейной деформации картона марки МП от времени НТП обработки в поперечном направлении

Показатель сжимаемости технических картонов зависит от многих факторов, наиболее важными являются вид полимерного вещества, из которого изготовлен материал и его строение. Изучение свойств материалов при сжатии позволяет решить многие задачи, связанные с повышением эксплутационных свойств технических картонов.

На рис. 5.13 представлены результаты исследования влияния времени плазменной обработки на изменение сжимаемости (δ_с) картона марки МП. Появление минимума на графике при плазменной обработке образцов в течение t_обр = 15 мин объясняется тем, что при этих режимах происходит наибольшее структурирование картона; так, показатель сжимаемости при первом варианте обработки образца уменьшается на 15 %, при втором – на 25 %. Далее значение сжимаемости при обработке в течение t_обр = 30 - 40 мин увеличиваются и значение δ_с при плазменном воздействии t_обр = 40 мин превышает показатель контрольного образца, тогда как сжимаемость при втором варианте модификации остается ниже, чем у необработанного образца.

	δс, %

Рис. 5.13. Зависимость изменения сжимаемости картона марки МП от времени НТП обработки

δу, %

Рис. 5.14. Зависимость изменения упругого сжатия после снятия нагрузки картона марки МП от времени НТП обработки

На рис. 5.14 представлены результаты исследования влияния времени плазменной обработки на упругое сжатие после снятия нагрузки для картона марки МП. Из графика видно, что упругое сжатие после снятия нагрузки для первого образца картона марки МП при t_обр = 5-15 мин по отношению к контрольному образцу после ВЧ плазменной обработки увеличивается (96 %), но незначительно и далее при времени воздействия t_обр = 30-40 мин уменьшается до значения контрольного образца (94 %).

Зависимости изменения толщины картона марки МП от воздействия масла (Т_м)от времени обработки приведены на рис. 5.15. Из графика видно, что толщина картона марки МП при t_обр = 5-15 мин по отношению к контрольному образцу после ВЧ плазменной обработки при первом варианте уменьшается на 23 %, при втором методе модификации на 10 %. Далее при времени воздействия t_обр = 30 - 40 мин значение Т_м увеличивается на 13 % (вариант 1) и на 25 % (вариант 2) относительно значения Т_м необработанного образца.

	Тм, %

Рис. 5.15. Зависимость изменения толщины картона марки МП под действием масла от времени НТП обработки

Таким образом, модификация технического картона марки МП с помощью ВЧЕ плазмы пониженного давления позволяет значительно изменять физико-механические показатели готового листа материала и способствует выравниванию свойств в машинном и поперечном направлениях. Варьируя время плазменной обработки можно добиться необходимых характеристик свойств обрабатываемых материалов.