использование низкотемпературной плазмы тлеющего разряда

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Б.Л. Горберг, А.А. Иванов, В.А. Стегнин
Ивановский государственный химико-технологический университет,
153000 г. Иваново, проспект Ф.Энгельса,7, e-mail: plasmalab@indi.ru
Using of Low-Temperature Low- Pressure Plasma of Glow Discharge
for Treatment of Textile Materials
B.L. Gorberg, A.A. Ivanov, V.A. Stegnin
Ivanovo State University of Chemistry and Technology,
F.Engels avenue, 7, 153000 Ivanovo, Russia, e-mail: plasmalab@indi.ru
Article contains the description of state of the art in the field of plasma treatment
of textile materials. Authors describe the industrial equipment for treatment of textiles in
low-temperature low-pressure plasma of glow discharge. The comparison between low
pressure plasma of glow discharge and atmospheric pressure plasma for the treatment of
textiles is given. Low- temperature low-pressure plasma of glow discharge is more
effective and more perspective for modification of the surface properties of textile
materials. Magnetron sputtering method has a good possibility for using in textile
industry.
Плазмохимическая технология постепенно находит все большее применение в
текстильной промышленности. Кроме России, в настоящее время очень большая
активность во внедрении плазмохимических методов обработки текстиля
наблюдается в таких странах, как Италия, США, Япония, Китай, Германия, Англия,
Южная Корея. Главная причина, заставляющая производителей текстильных
материалов обращать внимание на плазмохимические методы, – это их экологическая
безопасность. В текстильной промышленности на производство 1 кг
ткани
затрачивается в среднем около 300 кг воды [1]. Внедрение плазмохимических
технологий на текстильных предприятиях ведет к уменьшению потребления чистой
воды на технологические нужды, существенному уменьшению количества сточных
вод, заметному сокращению потребления химических реактивов и материалов.
В России накоплен наибольший опыт практического промышленного
использования плазмохимической технологии для обработки шерстяных тканей при
подготовке их под печать активными и кислотными красителями. Так, в ОАО
«Павловопосадские шали» (г. Павловский Посад Московской области) с 1991 года
работают несколько промышленных установок для обработки шерстяных тканей в
плазме тлеющего разряда при пониженном давлении (рис. 1).
Плазмохимическая технология используется взамен операции хлорирования,
когда для придания высокой смачиваемости шерстяную ткань обрабатывали раствором
гипохлорита натрия, получая его путем непосредственного взаимодействия едкого
натра и газообразного хлора. Внедрение плазмохимической технологии позволило
избавиться от огромных проблем, связанных с транспортировкой и хранением жидкого
хлора в баллонах, утилизацией ядовитых стоков, содержащих большое количество
канцерогенных хлорорганических продуктов взаимодействия хлора с шерстью, и
решить проблемы, связанные с коррозией оборудования [2].
586
Рис. 1. Линия для плазмохимической обработки шерстяных тканей ЛПХ-180Ш
В настоящее время наибольших успехов в продвижении плазмохимической
технологии на текстильный рынок достигла Италия, где доля текстильной
промышленности в структуре экономики достаточно высока. На фирме SAATI S.p.A. с
1996 года работает одна из самых крупных промышленных плазмохимических
установок KPR-270, созданная нами совместно с итальянской фирмой INTES S.r.l.
(рис. 2.)
Рис. 2. Плазмохимическая установка для обработки синтетических тканей KPR-270
Установка предназначена для модификации тканей из высокомодульных
монофиламентных полиэфирных нитей с целью улучшения адгезионных свойств и
позволяет обрабатывать текстильные полотна и пленки шириной до 260 см. На фирме
Mascioni S.p.A. установлена еще одна российская установка КПР-180, работающая в
Италии уже более 10 лет. Это оборудование используется для обработки различных
текстильных материалов и пленок с целью улучшения их гидрофильности и
адгезионных свойств: синтетических тканей для изготовления внутренних деталей
спортивной обуви, хлопко-полипропиленовых трикотажных полотен для пошива
спортивной одежды, полиуретановой ленты, которая применяется при офсетной
печати.
587
Промышленная установка КPR-200, разработанная и изготовленная нами
совместно с фирмой H.T.P.UNITEX S.p.A. (Италия) работает на южнокорейской фирме
BAIKSAN. Установка предназначена для гидрофилизации и улучшения адгезионных
характеристик нетканых материалов на основе полиэфирных волокон. Аналогичная
установка, изготовленная совместно с этой же фирмой, работает в Китае. Две
установки полупромышленного масштаба KPR-50/50, разработанные и изготовленные
совместно с фирмой H.T.P.UNITEX S.p.A., работают в Корее и Китае.
В мире появились и другие производители плазмохимического оборудования
для модифицирования текстильных материалов. Это, в частности, бельгийская фирма
“EUROPLASMA”, которая выпускает оборудование для плазмохимической обработки
материалов, в том числе и текстильных. Одна из самых крупных машин этой фирмы –
установка CD roll 1800/1000. Для создания плазмы используется ВЧ-генератор, что
влечет за собой не очень высокую производительность (до 20 м/мин). При этом
неизбежно появляются сложности в обеспечении равномерности обработки материала,
необходимость контроля ВЧ-излучения, сложность управления параметрами
обработки. Среди преимуществ таких систем – принципиальная возможность работы в
режиме плазменной полимеризации.
В настоящее время большинство научно-технических публикаций, связанных с
плазмохимической обработкой текстильных материалов, посвящено плазме разряда
атмосферного давления. Этот способ возбуждения плазмы сразу же привлек внимание
текстильщиков, т.к. они более склонны к непрерывным технологическим процессам,
когда все машины встроены в одну линию. Технологи очень неохотно идут на разрыв
этой цепочки и использование оборудования периодического действия, каковыми
являются и наши, и бельгийские машины. Однако тщательный анализ литературных
источников показывает, что разработанное к настоящему моменту оборудование для
обработки текстильных материалов в плазме атмосферного давления обеспечивает
производительность не более 2 м/мин, тогда как для текстильщиков скорости менее 20
м/мин обычно считаются неприемлемыми. Наши установки типа КПР-180 в ОАО
«Павловопосадские шали» обеспечивают производительность 30 – 50 м/мин и
способны обрабатывать до 2000 м ткани за час. Такое же количество ткани установка с
плазменным источником атмосферного давления способна обработать за 16 часов.
Кроме того, наш опыт и опыт других исследователей [3, стр.370] показывает, что при
равной подведенной мощности интенсивность обработки текстильных материалов в
плазме низкого давления выше, чем в плазме атмосферного давления. Очевидно, что
время жизни активных частиц в плазме низкого давления выше, чем в плазме
атмосферного давления. Активные частицы (например, атомарный кислород) в вакууме
успевают диффундировать внутрь структуры текстильного материала. В плазме
атмосферного давления обработке подвергается, главным образом, очень тонкий
поверхностный слой. Результаты обработки в плазме атмосферного давления
чувствительны к атмосферной влажности, а также, в еще более сильной степени, к
влажности самого материала. Влажность тканей может меняться (иногда весьма
существенно) от периферии полотна к центру. В плазме низкого давления
обрабатывается обезгаженный материал и, таким образом, равномерность обработки в
этом случае выше. Существует еще ряд факторов, доказывающих преимущества
использования плазмы низкого давления для модификации свойств текстильных
материалов. Это отсутствие необходимости утилизации озона и окислов азота,
относительно низкие применяемые напряжения, устойчивость эффектов во времени,
гибкость процесса. В этом случае очень легко подать в вакуумную камеру другой
плазмообразующий газ и провести процесс в другом направлении. Попытки
разработчиков тем или иным способом усовершенствовать процесс обработки
текстильных материалов в плазме атмосферного давления, например, понизить
напряжение горения, использовать импульсный или высокочастотный разряд, пока
588
приводят к существенному удорожанию оборудования. Несмотря на то, что наше
оборудование
является
оборудованием
периодического
действия,
его
производительность достаточно высока и достигает 14000 м за смену.
Таким образом, требования текстильщиков делать упор на создание
оборудования непрерывного действия, учитывая сложность такой задачи, кажутся нам
не совсем обоснованными. Однако необходимо определенное время, чтобы
текстильщики оценили реальные возможности того или иного способа
плазмохимической обработки, взвесили все преимущества и недостатки и сделали
правильный выбор.
В настоящее время мы исследуем возможности использования ионноплазменного (в частности, магнетронного) распыления для улучшения свойств
текстильных материалов. Как известно, этот метод давно применяется в
микроэлектронике, но для текстильной отрасли – это принципиально новое
направление, о котором абсолютное большинство текстильщиков даже не подозревает.
В то же время, большинство эффектов, достигаемых на текстильных материалах с
помощью магнетронного распыления металлов (или их сплавов) являются
востребованными. Актуальной, например, является проблема металлизации тканей с
целью придания экранирующих, антистатических, бактерицидных, электропроводящих
свойств. Кроме того, для текстильной отрасли очень важно получить материал с
хорошими декоративными свойствами. Лабораторные исследования, проведенные
нами с использованием магнетронной установки «МИР-2», позволяют нам с
уверенностью говорить о том, что способ вполне применим для придания новых
свойств, например, материалам из синтетических волокон. Полученные покрытия
имеют хорошую адгезию к большинству из синтетических тканей и нетканых
материалов. Скорость распыления позволяет (с использованием нескольких
магнетронов) достигать промышленных скоростей обработки тканей. В настоящее
время завершается изготовление экспериментальной промышленной установки,
которая позволит ответить на целый ряд вопросов и, в частности, на главный - об
экономической эффективности использования данной технологии.
Таким образом, плазмохимическая технология постепенно, шаг за шагом, не без
проблем занимает свою нишу среди наиболее современных методов облагораживания
текстильных материалов, причем, на наш взгляд, наиболее эффективной является
обработка текстильных материалов в плазме низкого давления. Хорошие шансы на
успех имеет металлизация текстильных материалов методом магнетронного
распыления. Все более ужесточающиеся требования к экологической безопасности
процессов увеличивают шансы внедрения этих технологий в более широких
масштабах. И если еще 10-15 лет назад о плазменной технологии в текстильной
отрасли говорили, как об абсолютной экзотике, то сейчас в текстильных журналах
появляются статьи с названием: «Низкотемпературная плазма как основа создания
современных текстильно-химических технологий» [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев Г.В. // М., Легкая индустрия, 1969, С. 20.
2. Горберг Б.Л., Иванов А.А., Близнова И.Н., Бондаренко В.И., Березин А.П. //
Текстильная промышленность. 1989. № 11. С.43.
3. Кутепов А.М., Захаров А.Г., Максимов А.И. Вакуумно-плазменное и плазменнорастворное модифицирование полимерных материалов. М.: Наука, 2004.
4. Шарнина Л.В. // Химические волокна. 2004. № 6. С. 32.
589