Электрофизические методы модификации натуральных высокомолекулярных материалов

Из многообразия существующих методов упрочняющей обработки в последние годы все шире применяются электрофизические как наиболее эффективные и экономичные (а в некоторых случаях и единственно возможные) способы обработки материалов. К электрофизическим методам относятся методы изменения свойств обрабатываемых материалов под воздействием электрического тока, его разрядов, электромагнитного поля, электронного или оптического излучений, плазменной струи, а также высокоэнергетичных импульсов и магнитострикционного эффекта [77, 93-95]. Отличительной особенностью данных методов модификации является использование электрической энергии непосредственно для технологических целей без промежуточного преобразования ее в другие виды энергии. При этом использование электрической энергии осуществляется непосредственно в рабочей зоне через химические, тепловые и механические воздействия.

Основные технологические особенности, отличающие данные процессы от других, заключаются в следующем [77, 95, 96]:

– возможно осуществление обработки как проводящих, так и непроводящих ток материалов с любыми физико-механическими свойствами;

– функции инструмента выполняет сформированный соответствующим образом поток электронов или ионов;

– значительно меньшая, в сравнении с физико-химическими и химическими методами, зависимость основных технологических показателей процессов от физико-химических свойств обрабатываемого материала;

– возможность механизации и автоматизации основных технологических и вспомогательных переходов вплоть до применения робототехнических средств и комплексов автоматизации процессов.

Из недостатков, присущих электрофизическим процессам, следует отметить повышенную энергоемкость; относительную громоздкость используемого технологического оборудования; применение в большинстве случаев специальных источников питания электрическим током; необходимость размещения технологического оборудования в отдельных помещениях, связанная зачастую с повышенной пожарной опасностью и выполнением специфических требований безопасности труда. Поэтому с учетом несомненных преимуществ электрофизических методов обработки перед традиционными при выборе оптимального для какого-то конкретного изделия варианта обработки приходится решать многогранную задачу, включающую не только технические, но и экономические аспекты.

Рассмотрим наиболее распространенные электрофизические методы модификации материалов.

Одним из методов повышения стойкости изделий из натуральных ВММ к атмосферным изменениям является сушка. Качество отделки материала существенно зависит от правильности проведения предшествующих процессов, сопровождающихся промывкой, сушкой и увлажнением. Главный недостаток сушильных камер - потеря площади кожи в результате ее усадки [97]. В настоящее время для удаления влаги из покрывной краски при отделке кожи возможно использование ионизирующего облучения и облучения в поле токов ВЧ и СВЧ. Такие способы сушки материала позволяют в 2-3 раза уменьшить усадку его площади.

Проведены экспериментальные исследования, в которых ионизирующему облучению подвергались материалы от сырья до готовых кож. Кожевенное сырье облучали для стерилизации с дозой поглощения до 5 кГр. При стерилизации кожевенного полуфабриката ионизирующим облучением изменялись эргономические свойства кожи: паропроницаемость уменьшалась на 24-26 %, теплопроводность практически не менялась. Таким образом, при помощи ионизирующего излучения достигалось повышение стойкости к атмосферной коррозии за счет стабилизации структуры и повышение стойкости к биологической коррозии вследствие стерилизации, однако улучшение некоторых характеристик приводило к ухудшению других.

Кожи, выработанные по типовой методике производства кож хромового дубления, подвергались облучению гамма-лучами и ускоренными электронами до поглощенных доз 5¸30 кГр. При облучении кож гамма-лучами, происходило снижение коэффициента теплопроводности на 20-24%. С увеличением дозы облучения до 30 кГр, проходило дальнейшее структурирование дермы за счет образовавшихся в результате разрыва полипептидных цепочек связей. Увеличивалась теплопроводность и слабо снижалась паропроницаемость и пароемкость. Повышение дозы приводило к возрастанию этих показателей за счет изменения степени гидрофильности. Коэффициент теплопроводности уменьшался вследствие разрыхления поверхностных слоев кожи.

Для модификации и деструкции некоторых натуральных полимеров использовались мощные нестационарные токи до нескольких десятков и даже сотен килоампер при напряжениях в десятки киловольт. Применяя методы магнитной гидродинамики, легко осуществить и начальное разделение компонент ионизированной среды по степеням полимеризации. Основная трудность, возникавшая при использовании мощных импульсных токов - разделение большого количества, одновременно возникающих, разных по физико-химическим свойствам, полимерных звеньев, и низкомолекулярных (вплоть до атомарных) веществ. Оценки показали, что при энергозатратах порядка 10⁴ Дж может быть атомизировано (разрушено до атомарно уровня) количество лигнина, характеризуемое расходом 50 г/с. При повышении расхода может быть получен при этих энергозатратах весь спектр упомянутых соединений.

При помощи модификации ВММ ускоренными электронами, гамма-лучами и мощными нестандартными токами достигается повышение их стойкости к атмосферной коррозии за счет упрочнения, но при этом нарушается структура ВММ.

Произведены исследования влияния излучения на текстильные волокна [98-110]. Исследования показали, что гаммаоблучение поликапроамидных (ПКА) нитей в воздухе (кислородсодержащая среда) приводит к экстремальным изменениям их структуры, прочностных и термомеханических характеристик. Исследовалась зависимость электропроводимости ПКА нитей от поглощенной дозы излучения. Для измерения использовались пучки ПКА нитей линейной плотностью 190 текс. Облучение осуществляли от источника 60Co, мощность поглощенной дозы D варьировались от 0,55 до 6,00 Гр/с. Эксперименты проводились при температуре 18°С и относительной влажности воздуха 53%. В области относительно малых доз (D <0,07 МГр) облучения электропроводность слабо росла (на 9%), при увеличении дозы электропроводность существенно уменьшалась (более чем в 100 раз).

Радиационное облучение ВММ позволяет улучшить их износостойкость, прочность, стойкость к старению, теплостойкость, что повышает стойкость к атмосферным и биологическим изменениям, однако при этом происходит изменение структуры полимеров, что является существенным недостатком данного метода.

Получены результаты исследования по разработке интенсифицированых способов подготовки и беления хлопкосодержащих тканей с применением УФ излучения [111-115]. В качестве обрабатываемых образцов использовались хлопчатобумажные, хлопколавсановые и льносодержащие ткани. УФ обработку осуществляли на лабораторной установке, снабженной дуговой ртутной лампой мощностью 1000 Вт. При минимальном расстоянии от источника влажность ткани снижается со 100% до 50% уже за 15 с обработки. Поскольку процесс беления тканей требует поддержания влажности ткани на достаточно высоком уровне, возникает необходимость организации процесса УФ обработки циклами, то есть путем чередования пропитки ткани белящим раствором и кратковременного УФ облучения. Установлена также возможность придания хлопчатобумажным и хлопколавсановым тканям (55 % хлопка и 45 % лавсана) гигроскопических свойств в условиях кратковременной циклической УФ обработки.

Ультрафиолетовое облучение позволяет достигнуть существенного повышения стойкости ВММ к атмосферным изменениям, вследствие улучшения их адгезионных свойств и износостойкости. Однако, как и радиационная обработка - УФ-облучение сильно влияет на строение ВММ.

В промышленности внедрены технологии обработки текстильных материалов с использованием высоко- и сверхвысокочастотного нагрева, инфракрасной техники импульсных электрических разрядов в жидкости [116-123].

Одним из направлений развития технологии отделки тканей является фотохимическая активация некоторых технологических процессов. Установлено, что использование СВЧ (микроволнового) излучения позволяет интенсифицировать плюсовочно-сушильный способ крашения хлопчатобумажных тканей активными красителями, который предусматривает одностадийное осуществление процессов сушки текстильного материала и фиксации красителей [124-127].

Таким образом, вышеописанные методы позволяют достигнуть повышения стойкости натуральных ВММ к биологическим и атмосферным изменениям, но их общим недостатком является изменение строения ВММ, что, соответственно, приводит к ухудшению других их важнейших характеристик.

Наиболее распространенные электрофизические методы обработки материалов позволяют изменять ограниченное число характеристик поверхности, а ряд важных свойств, влияющих на эксплуатационные свойства изделий, оставляют без изменения. Анализ энергетических характеристик электрофизических методов модификации материалов показывает, что в них используется воздействие частиц, обладающих энергией 0,1÷1,0 эВ или не менее 1,0 кэВ. В то же время имеется диапазон энергий от нескольких единиц до 100 эВ, который эффективно может быть применен в процессах модификации поверхностных слоев органических и неорганических материалов. Этот уровень энергии реализуется в процессах модификации рабочих поверхностей изделий в потоках неравновесной низкотемпературной плазмы, генерируемой ВЧ разрядами пониженного давления. Рассмотрим основные направления приложения плазменных методов модификации свойств материалов.