CC BY
53
И. Ш. Абдуллин, Г. З. Гыйлметдинова, Г. Р. Рахматуллина ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРООБМЕННЫХ СВОЙСТВ НАТУРАЛЬНЫХ КОЖ
ПРИ ПЛАЗМЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Ключевые слова: высокочастотная плазма пониженного давления, велюр, шлифованная кожа, объемная модификация, парообменные физические свойства. high-frequency plasma of the lowered pressure, velour, polished the skin, volume updating (modification), vapor exchangeable and physical properties.
Плазменная обработка велюра, шлифованной кожи, как с покрытием, так и без, кожи из шкур козлины приводит к увеличению пористости материала, за счет перераспределения пор, при этом происходит улучшение парообменных свойств. Plasma treatment of velours, polished skin, both with coverage and without, the skin from the skins goaty leads to the increase ofporosity of material, due to the redistribution of pores, here is an improvement of vapor exchangeable properties.
Введение
В связи с высокой конкуренцией со странами импортерами, перед отечественной промышленностью стоит актуальная задача повышения качества выпускаемой продукции с минимальным увеличением себестоимости. В частности, в легкой промышленности актуальна задача улучшения свойств натуральной кожи.
Кожа относится к высокомолекулярным волокнистым материалам животного происхождения, и состоит в основном из волокнистых белков (коллагена). Одной из особенностей натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов, существенно влияющих на комплекс физико-механических свойств кожевенных материалов, является пористая структура. Пористость кожевенных материалов составляет 40-60%.
Пористая структура натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов является многоуровневой. Она включает в себя макропоры, а также пространства между элементами всех уровней структуры коллагена (между пучками, волокнами, фибриллами и т.д.). В результате площадь внутренней поверхности, образованной поверхностью пор и капилляров, на несколько порядков превышает площадь наружной поверхности и определяет свойства материала.
Поэтому для достижения максимального изменения эксплуатационных и потребительских свойств, натуральные высокомолекулярные волокнистые материалы нужно модифицировать во всем объеме.
Традиционные методы модификации кожевенных материалов (механические, химические) практически исчерпали свои возможности. Одним из новых способов повышения качества и устойчивости к различным воздействиям натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов является применение плазмы: тлеющего, барьерного, мембранного разрядов; разряда с жидким катодом; ВЧ разряда пониженного давления. В последнее время все шире применяются электрофизические методы модификации материалов как наиболее эффективные и экономичные. Перспективным методом модификации натуральных высокомолекулярных материалов является такой электрофизический метод обработки, как воздействие потоком плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления на натуральные высокомолекулярные материалы. Преимущество такого метода заключается в отсутствии химических превращений на обрабатываемой плазмой поверхности и в объеме
тела, а также существенно не меняется химический состав полимера. В связи с этим представляет интерес исследование возможности применения метода обработки кожевенного материала в потоке плазмы ВЧЕ-разряда пониженного давления в отделочных процессах и операциях кожевенного производства.
Результаты исследований, выполненных в последнее время, показывают, что в отличие от других видов плазмы, обработка с помощью ВЧ-разряда пониженного давления позволяет производить объемную модификацию пористых материалов.
Целью работы является исследование парообменных свойств натуральной кожи, за счет модификации структуры белков с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы.
Объектами исследования служили шлифованная кожа, велюр, шлифованная кожа с покрытием из шкур овчины, и кожа из шкур козлины.
Входные параметры плазменной установки изменяли в следующих пределах: Р =26,6 Па, О =0,04-0,08 г/с , и=1-7,5 кВт , t =3-15 мин. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон.
Обсуждение результатов
Для установления закономерностей плазменного воздействия на парообменные свойства кожи, определяли гигроскопичность и влагоотдачу. Так как известно, что гигроскопичность и влагоотдача кожи существенным образом зависят от пористости материала, так же определяли изменение показателей пористости, объема пор, истинную, кажущуюся плотность.
Эффект плазменного воздействия определяли при сравнении свойств материалов, обработанных в потоке плазмы ВЧЕ-разряда, со свойствами образцов не подвергшихся обработке, т. е. контрольных.
Ниже представлены результаты исследований влияния ВЧ-плазменной обработки на свойства ворсовых кож из шкур овчин и кожи из шкур козлины.
Результаты влияния неравновесной низкотемпературной плазмы на парообменные свойства шлифованной кожи представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Показатели свойств шлифованной кожи
Показатели Образцы шлифованной кожи
Контрольные Опытные
Гигроскопичность, % 20,69 21,30
Влагоотдача, % 21,47 21,70
Кажущаяся плотность, г/см3 0,33 0,34
Истинная плотность, г/см3 1,32 1,42
Объем пор, см3 4,50 4,6
Пористость, % 74,70 76,60
Для более полного понимания влияния неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления на свойства кожевенных материалов проводились исследования изменения свойств велюра, при этом учитывалось различие в строении данных видов на-
туральных кож, т. к. соотношение сосочкового и сетчатых слоев определяет свойства кожевенных материалов. Результаты представлены в таблице 2 Таблица 2 - Показатели свойств велюра
Показатели Образцы шлифованной кожи
Контрольные Опытные
Гигроскопичность, % 20,29 23,51
Влагоотдача, % 12,79 14,71
Кажущаяся плотность, г/см3 0,34 0,37
Истинная плотность, г/см3 0,97 1,31
Объем пор, см3 3,35 4,10
Пористость, % 61,81 69,85
Для установления закономерностей изменения свойств после плазменной обработки композиционного материала исследовали шлифованную кожу с покрытием.
Результаты исследований влияния ВЧ - плазменной обработки на свойства шлифованной кожи с покрытием из шкур овчины представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Показатели свойств шлифованной кожи с покрытием
Показатели Образцы шлифованной кожи
Контрольные Опытные
Гигроскопичность, % 15,76 16,57
Влагоотдача, % 15,04 16,32
Кажущаяся плотность, г/см3 0,34 0,45
Истинная плотность, г/см3 0,42 0,97
Объем пор, см3 1,0 2,4
Пористость, % 47,26 53,70
При рассмотрении композиционного материала представляющего собой эмульсионное покрытие и шлифованную кожу наблюдается корреляция всех показателей характеризующих парообменные и физические свойства материала, т.е. гигроскопичности, влагоотдачи, объема пор и пористости, со значениями, полученными у шлифованной кожи без покрытия. Так же исследовали изменение парообменных свойств кожи из шкур козлины после плазменной обработки. В таблице 4 представлены результаты исследований влияния ВЧ - плазменной обработки на свойства шкур козлины.
Таблица 4 - Показатели свойств козлины
Показатели Образцы шлифованной кожи
Контрольные Опытные
Гигроскопичность, % 23,5 23,9
Влагоотдача, % 25,2 26,5
Кажущаяся плотность, г/см3 0,383 0,416
Истинная плотность, г/см3 1,692 1,962
Объем пор, см3 4,03 4,78
Пористость, % 77,32 78,76
Как видно из данных представленных в таблицах 1-4, во всех видах исследуемых материалов наблюдается увеличение гигроскопичности и влагоотдачи. При этом эти показатели коррелируются с изменениями физических свойств исследуемых материалов, однако, парообменные свойства у шлифованной кожи под воздействием плазменной обработки улучшаются в меньшей степени, чем у велюра, это связано с наличием более развитого по толщине сосочкового (рыхлого) слоя у шлифованной кожи.
Для анализа изменения парообменных свойств кожевенных материалов исследована микропористая структура материалов с помощью метода электронной микроскопии при увеличении более чем 2500 раз. На рисунке 1 приведены микрофотографии поперечного среза шлифованной кожи с покрытием из шкур овчины при увеличении в 5000 раз (рис. 1).
Рис. 1 - Микрофотографии поперечного среза образцов: а - шлифованной кожи с покрытием из шкур овчины контрольного образца (Х 5000 раз); б - обработанного в НТП (Х 5000 раз)
Из рисунка 1 видно, что при обработке шлифованной кожи с покрытием неравновесной низкотемпературной плазмой взаимное расположение первичных волокон, становится более равномерным, упорядочивается микропористая система материала (размер пор 0,06-2 нм), что является причиной улучшения парообменных свойств.
Экспериментальная часть
Определение пористости пикнометрическим методом.
Пикнометрические методы наиболее распространены для анализа микропористых материалов, которые, действуя как сита, «допускают» в объем микропор только те вещества, размер молекул которых меньше размера входов в микропоры или сопоставим с ними. Эти методы основаны на едином принципе анализа пористости - измерении плотности. Различают несколько видов плотностей:
Перед началом работы пикнометр тщательно промывают дистиллированной водой, ацетоном и сушат, высушенный пикнометр взвешивают с точностью до 0,0002 гр., после чего через маленькую воронку заполняют дистиллированной водой на 2-3 мм выше метки и выдерживают в термостате при 20 0С не менее 20 минут. Затем с помощью фильтровальной бумаги доводят уровень воды в пикнометре до метки, закрывают его пробкой, вынимают из термостата, тщательно вытирают снаружи и взвешивают.
Кожевую ткань измельчают на кусочки шириной 2-3 мм и длиной 20мм. 5-10 гр. измельченного образца, вносят в пикнометр, который затем заполняют до метки керосином из бюретки. Замеряют, объем влитого керосина VI пикнометр прикрывают пробкой или фильтровальной бумагой и оставляют на сутки. В пикнометр снова наливают керосин до метки, замеряя при этом его количество V2. Керосин из пикнометра сливают, измельченный образец раскладывают на фильтровальной бумаге и осторожно удаляют с поверхности кусочков избыток керосина. После этого кусочки переносят в чистый пикнометр и заливают керосином до метки. Определяют объем влитого керосина V3.
Vu=Vo-(V1 +^), см3,
где V0 - объем пикнометра, см3; V1- объем керосина влитого 1 раз; V2 - объем керосина влитого 2 раз; V3 - объем керосина влитого 3 раз.
Кажущаяся плотность ^к) характеризуется отношением массы кожи к полному объему, включая объем пор, и зависит от пористости и степени заполнения структуры наполнителями, до-дубливающими и жирующими материалами:
Vк= V0-Vз, см3, где Vз - объем влитого керосина, см3.
Зная истинный и кажущийся объемы, по формуле находили соответствующую плотность кожевой ткани:
Истинная плотность: Ристинная= т/ Vи.
Кажущаяся плотность: Ркажущ.=т/ Vкажущ.
По разнице кажущегося и истинного объемов находили объем пор кожи ^п) и его пористость (П):
Vn= Vк-Vu, см3;
П=100х Vn М, %.
Определение гигроскопичности и влагоотдачи.
Гигроскопичность определяют на образцах размером 50х50мм, которые после взвешивания (т) помещают в эксикатор над дистиллированной водой и выдерживают в течение 16 ч при температуре 20 С., затем извлекают из эксикатора, взвешивают (т1) и оставляют сушиться в воздушной среде на 8 ч. Спустя 8 ч образцы вновь взвешивают (т2) [1].
Гигроскопичность выражается разностью между массой образцов кожи влажностью 100% и воздушно-сухой:
Г=100х(т1-т)/т, %,
где т1 - масса образца после увлажнения, г; т - масса образца в воздушно-сухом состоянии, г.
Влагоотдача измеряется потерей влаги из увлажненного образца при его высушивании на воздухе в течении 8 ч. в нормальных условиях:
В=100х(т1-т2)/т, %, где т2 - масса увлажненного образца после высушивания, г.
Заключение
Таким образом, анализируя выше приведенные данные можно сделать вывод, что плазменная обработка велюра и шлифованной кожи, как с покрытием, так и без, кожи из шкур козлины приводит к увеличению пористости материала, за счет перераспределения пор, при этом происходит улучшение парообменных свойств.
Литература
1 .Михеев, Е.Я. Современные методы оценки качества обуви и обувных материалов / Е.Я.Михеев, Л.С.Беляев. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 248с.
© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; Г. З. Гыйлметдинова - асп. КГТУ; Г. Р. Рахматуллина -канд. техн. наук, доцент КГТУ. e-mail: [email protected]
