CC BY
54
УДК 675.076: 675.026.38:66-963
М. М. Гребенщикова, И. Ш. Абдуллин, Р. А. Кайдриков,
Э. Б. Гатина
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НАТУРАЛЬНОЙ КОЖИ
Ключевые слова: стельки ортопедические, биоцидные свойства, нитрид гафния, физико-механические свойства
кожи.
Изучено изменение толщины кожи, предела прочности при растяжении, относительного удлинения, температуры сваривания, массовой доли золы, массовой доли хрома, показателей впитываемости, гигроскопичности, влагоотдачи в зависимости от режима нанесения покрытий, нанесенных ионо-плазменным способом. Установлены зависимости прочностных характеристик от времени нанесения покрытия.
Keywords: insoles orthopedic, biocidal properties, hafnium nitride, physicomechanical properties of a skin.
Change of a thickness of a skin, strength at a stretching, relative lengthening, a mass fraction of ashes, a mass fraction of chrome, indicators of absorbency, hygroscopicity, moisture-yielding ability depending on a mode of drawing of the coverings put in the iono-plasma way are studied. Dependences of toughness testimonials from the time of drawing of a covering are established.
Современная медицина предъявляет высокие требования к материалам, из которых изготавливают ортопедические изделия, такие как корректирующие вкладыши в обувь, ортопедические стельки, протезы. Эти изделия тесно контактируют с незащищенной кожей человека, поэтому должны быть изготовлены из инертных, не вызывающих различные аллергические реакции материалов [1,2]. Так же эти материалы должны быть устойчивы к развитию на их поверхности грибковых и бактериальных инфекций, иметь хорошие гигиенические свойства. Для наружных покрытий изделий применяется натуральная ортопедическая кожа хромового дубления по ГОСТ 3674-74. Она используется, в том числе, для изготовления ортопедических лечебных и профилактических вкладных изделий в обувь.
Натуральная кожа является природным наноструктурированным полимером. Один из возможных способов модификации натуральной кожи с целью придания ей заданных свойств (в данном случае, биоцидности) - металлизация. Металлизация ортопедической кожи проводилась конденсацией из плазменной фазы в атмосфере азота. Испарение материала происходило в электрической дуге в вакууме. Для нанесения покрытия использована установка типа ННВ-6.6.
Авторами [3,4,5] исследованы биологические свойства покрытий из нитридов гафния и титана, в том числе исследована их цитотоксичность, биологическая активность, общая токсичность и влияние на состав крови, поведенческие реакции млекопитающих при имплантациях. Установлено, что покрытие из нитридов гафния и титана не токсично и проявляет биоцидные свойства. Режимы нанесения биоцидного слоя на ортопедическую кожу приведены в таблице 1.
Необходимо отметить, что давление в вакуумной камере во время нанесения покрытия на кожу не было постоянным. До подачи азота оно составляло 10-4 мм.рт.ст., затем был включен испаритель. Давление при этом выросло до 7-10" мм.рт.ст. Через 2 - 2,5 минуты приход газов из кожи сравнялся с производительностью вакуумного насоса и , как свободная влага испарилась, давление начало падать и установилось на заданном натекателем уровне.
Изучение свойств кожи ортопедической до и после нанесения покрытия проводилось с использованием стандартных методик ГОСТ 939-88 и специальных методов. Изучено изменение толщины кожи, предела прочности при растяжении, относительного удлинения, температуры сваривания, массовой доли золы, массовой доли хрома, показателей
впитываемости, гигроскопичности, влагоотдачи в зависимости от режима нанесения покрытий.
Таблица 1 - Режимы нанесения металлоподобного покрытия на кожу ортопедическую хромового дубления ГОСТ 3674-74
№ режима Режим нанесения Материал покрытия
1 иоп = 0 В; 1 = 1 мин; 1исп = 65 А; Р = 10" мм.рт.ст И
2 3 иоп = 0 В; 1 = 3 мин; 1исп = 65 А; Р = 10" мм.рт.ст пы
3 "3 иоп = 0 В; 1 = 9 мин; 1исп = 65 А; Р = 10" мм.рт.ст пы
4 "3 иоп = 50 В; 1 = 1 мин; 1исп = 65 А; Р = 10" мм.рт.ст и
5 иоп = 50 В; 1 = 3 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст пы
6 иоп = 50 В; 1 = 9 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст пы
7 иоп = 100 В; 1 = 1 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст и - по
8 иоп = 100 В; 1 = 3 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст пы
9 иоп = 100 В; 1 = 7 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст пы
10 иоп = 150 В; 1 = 1 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст п - по
11 иоп = 150 В; 1 = 3 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст пы
12 иоп = 150 В; 1 = 9 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст пы
13 иоп = 180 В; 1 = 1 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст п - по
14 иоп = 180 В; 1 = 3 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст пы
15 иоп = 180 В; 1 = 7 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст пы
16 иоп = 100 В; 1 = 15 мин; 1исп = 65 А; Р = 10"3 мм.рт.ст; П = 1,3 об/мин пы
17 иоп = 150 В; 1 = 3 мин; 1исп = 60 А; Р = 10"3 мм.рт.ст С предварительным обезгаживанием в течение 2 мин Л нам
18 иоп = 100 В; 1 = 3 мин; 1исп = 60 А; Р = 10"3 мм.рт.ст С предварительным обезгаживанием в течение 2 мин Л нам
19 иоп = 250 В; 1 = 3 мин; 1исп = 60 А; Р = 10"3мм.рт.ст С предварительным обезгаживанием в течение 2 мин Л пы
При анализе результатов определения предела прочности при растяжении выяснилось, что с увеличением опорного напряжения выше 100 В данный показатель увеличивается. Однако, при опорном напряжении до 100 В предел прочности меньше контрольного. Увеличение предела прочности при растяжении может быть связано с увеличением толщины покрытия на коже, а уменьшение данного показателя - с тепловым воздействием в вакуумной камере. Так же возможно взаимодействие покрытия со структурой кожи.
Относительное удлинение при растяжении повышается с увеличением продолжительности нанесения покрытия на кожу. Однако это происходит до значения опорного напряжения 100 В. Далее наблюдается уменьшение относительного удлинения. Это объясняется тем, что при увеличении опорного напряжения и времени нанесения покрытия увеличивается интенсивность теплового воздействия плазмы на кожу.
Температура сваривания кожи зависит от продолжительности нанесения покрытия и величины опорного напряжения. Чем больше значение этих параметров, тем ниже
температура сваривания. Это обусловлено интенсивным воздействием плазмы на структуру кожи. Однако конформационных изменений в структуре кожи не обнаружено.
Массовая доля влаги в коже, как и температура сваривания, зависит от продолжительности нанесения покрытия и опорного напряжения, к тому же в камере влага из кожи удалялась насосами во время обработки.
Показатели массовой доли золы и окиси хрома уменьшаются с увеличением режимов обработки, но остаются в пределах установленных нормативами. Рост массы напыляемого металла компенсируется повышенным испарением влаги.
Так же выявлено существенное изменение показателя впитываемости, который зависит в основном от продолжительности нанесения покрытия, то есть от толщины пленки металла на коже, которая не позволяет влаге впитываться в кожу. Показатели влагоотдачи и гигроскопичности существенно не ухудшаются (табл. 2).
Таблица 2 - Физико-механические и другие показатели кожи ортопедической хромового дубления с металлоподобными покрытиями
№ Предел Относит. Массо- Впиты- Гигро- Влагоотда- Темпера-
ре- прочности удлине- вая доля вае- скопич- ча % тура
жи- при ние % влаги, % мость, ность,% сварива-
ма растяжении, Н/мм2 сек ния, °С
Конт роль 6,32 52 9,6 70 13 10 111
1 3,38 68 9,5 492 12 9 107
2 3,49 74 8,9 > 1200 14 10 97,75
3 4,32 88 8,4 > 1200 14 11 92,5
4 4,51 72 9,8 424 13 9 105,5
5 2,83 70 8,0 549 14 10 95,5
6 5,37 82 7,9 > 1200 13 8 92,5
7 14,62 74 11,5 880 16 12 104,5
8 11,85 84 10,8 > 1200 19 14 93
9 11,90 64 7,5 > 1200 18 12 74
10 13,26 76 11,2 > 1200 18 13 103
11 12,53 74 10,2 > 1200 14 10 97
12 12,14 64 10,2 > 1200 15 10 102
13 17,67 86 9,7 > 1200 17 13 102,5
14 11,63 64 8,9 > 1200 18 13 74
15 12,00 52 8,9 > 1200 17 10 81
16 16,6 76 10,4 > 1200 19 14 92
17 5,43 66 7,8 > 1200 22 20 110,5
18 6,92 58 8,6 > 1200 22 19 74,5
19 5,67 54 9,4 > 1200 25 22 75
Выводы
1) Создание вакуума 10 мм.рт.ст. и ниже при нанесении покрытий на кожу затруднительно, так как происходит испарение влаги (высушивание) под действием тепла дуговых испарителей. Создание контролируемой атмосферы в вакуумной камере происходит после испарения летучих составляющих кожи.
2) Удаление подвижной влаги из кожи происходит в течение первых 2 - 2,5 минут при исходном вакууме 10"4 мм.рт.ст. и включении одного дугового испарителя с током 65 А.
3) При нанесении покрытий при токе дуги 65 А и давлением 10-3 и 10"4 мм.рт.ст. температура процесса не достигает температуры сваривания кожи-100 °С .
4) С повышением опорного напряжения от 100 В и выше прочностные характеристики кожи улучшаются, что связано, предположительно, с эффектом ионной бомбардировки.
5) Параметр впитываемости лицевой поверхностью кожи с увеличением опорного напряжения уменьшается (увеличивается время впитывания) на порядок по сравнению с контролем до полной гидрофобности, что может быть ценно для кож для верха обуви. Подобное явление также характерно для ВЧ"плазменной обработки кожи.
Литература
1. Абдуллин, И. Ш. Бактерицидные и биологически стойкие покрытия для медицинских имплантатов и инструментов/ И. Ш.Абдуллин, М. М.Миронов, Г. И. Гарипова // Медицинская техника. - 2004. -№4. - С. 84.
2. Абдуллин, И.Ш. Новые материалы с биологической совместимостью и бактериостатическими свойствами / И.Ш.Абдуллин, М.М. Гребенщикова // Научная сессия КГТУ. - Казань, 2010 . - С.278.
3. Абдуллин, И.Ш. Цитотоксические свойства плазменных конденсатов // И.Ш.Абдуллин, М.М. Гребенщикова // Вестник Казан. технол. ун-та - 2010. - №10 - С. 117.
4. Абдуллин, И.Ш. Плазменные конденсаты с биологически активными свойствами / И.Ш.Абдуллин, М.М. Гребенщикова // Новые технологии и материалы легкой промышленности Сборник статей 6 международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых, 2010. - 312с.
5. Абдуллин, И.Ш. Токсичность плазменных конденсатов нитридов с капельной нанофазой / И.Ш.Абдуллин, М.М. Гребенщикова// Наноматериалы, нанотехнологии, наноиндустрия Сб. статей 1 Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы. - 2010. - 187 с.
© М. М. Гребенщикова - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; И. Ш.Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ;
Р. А. Кайдриков - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии электрохимических производств КНИТУ; Э. Б. Гатина - канд. мед. наук.
