CC BY
12
УДК 547.495
Е. А. Панкова, О. В. Фукина, Г. Р. Рахматуллина
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ БИОПОЛИМЕРОВ
АКТИВНЫМИ ГАЗАМИ НА СВОЙСТВА НАТУРАЛЬНЫХ МЕХОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: плазма пониженного давления, плазмохимическая модификация биополимеров, натуральные меховые материалы, исследование свойств.
Исследовано влияние плазмохимической модификации биополимеров активными газами (азот, пропан, кислород) на свойства меховых материалов. Установлено, что применение плазмохимической модификации в сильноточном режиме (мощность от 1,46 кВт до 1,82кВт) приводит у повышению прочности мехового полуфабриката до 160% и росту показателя относительного удлинения до 15%. При этом модификация в азоте и кислороде способствует созданию у мехового полуфабриката гидрофильных свойств, а в пропане-гидрофобных свойств.
Key words: low-pressure plasma, plasma-chemical modification of biopolymers, materials from the natural fur, study ofproperties.
The influence of plasmochemical modification of biopolymers by reactive gases (nitrogen, propane, oxygen) on the properties of fur materials has been studied. The use of plasma-chemical modification into a high-current mode (from power of 1.46 kW to 1.82 kW) leads to increasing the strength offur semifinished product to 160% with a simultaneous increase of the elongation index to 15%. Thus, during the modification offur semifinished product in nitrogen and oxygen it acquires hydrophilic properties, and in propane it acquires hydrophobic properties.
Введение
Мех представляет собой уникальный природный материал, основой которого являются биополимеры (коллаген, кератин, эластин, ретикулин). Многоуровневая структура данных биополимеров значительно затрудняет и усложняет выделку меха. В основе мехового производства лежат сложные химические процессы и многократные механические обработки, поэтому поиск инновационных методов, направленных на упрощение технологического процесса, повышения качества выпускаемой продукции является актуальной задачей. Одним из таких инновационных методов является плазмохимическая модификация биополимеров. Комплекс исследований, ранее проведенных на модельных соединениях, показал перспективность плазмохимической модификации высокомолекулярных материалов легкой промышленности.
В данной работе исследована плазмохимическая модификация биополимеров непосредственно в меховом материале с последующей оценкой его качественных характеристик.
Экспериментальная часть
Для плазмохимической обработки мехового полуфабриката использовалась высокочастотная емкостная плазменная установка. Входные параметры плазменной установки варьировались в следующих пределах: мощность разряда 0,1-2,5кВт, рабочее давление в разрядной камере 13,3-26,6 Па; расход плазмообразующего газа 0,04-0,08 г/с; частота генератора 13,56 МГц, продолжительность обработки 19 мин [1]. В качестве плазмообразующих газов использовались азот, пропан, кислород.
Результаты и их обсуждение
Исследование характеристик мехового полуфабриката проводили при плазмохимической модификации в среде активных газов, при этом основывались на результатах, полученных ранее на желати-
новых модельных соединениях. Проведенные ранее исследования показали увеличение доли амино- и амидсодержащих группировок при модификации плазмообразующим газом азотом желатиновых пленок, что, вероятнее всего, приведет к увеличению показателя прочности материала, поэтому меховой материал подвергали плазмохимической модификации в среде азота, с последующим анализом ИК спектров [2]. Результаты ИК спектроскопии коже-вой ткани мехового полуфабриката (рис. 1) корре-лируются с результатами, полученными на модельных соединениях, т.к. тоже фиксируется увеличение доли амидсодержащих группировок.
Рис. 1 - ИК-Фурье спектры образцов кожевой ткани мехового полуфабриката: не модифицированного (1), модифицированного в среде азота (2)
Далее проведены исследования изменения механических характеристик мехового полуфабриката после плазмохимической обработки. Установлено, что при плазменной модификации натурального материала в среде азота происходит увеличение показателя предела прочности материала на 40-160% и повышение относительного удлинения на 9-11% только при мощности разряда от 1,46 кВт до 1,82кВт, т.е. в сильноточном режиме.
При обработке в малых мощностях (0,7-1,34 кВт) независимо от времени модификации предел прочности материала падает (до 7%), а показатель относительного удлинения повышается до 5%. Это можно объяснить нехваткой мощности, вкладываемой в разряд для реализации плазмохимической модификации, с одной стороны и разделением крупных агрегатов волокон коллагена, вследствие его конфор-мационных изменений, с другой стороны.
Одновременное увеличение показателей прочности и относительного удлинения говорит о том, что дополнительные амидные связи, образованные в результате плазмохимической модификации не создают межмолекулярных сшивок, а имеют внутримолекулярный характер.
При традиционных методах обработки материалов получение подобного эффекта невозможно, т.к. повышение прочности материала, как правило, обеспечивается за счет дополнительного структурирования и всегда сопровождается снижением показателя относительного удлинения. Одним из важных показателей меховых полуфабрикатов является удлинение, в том числе остаточное, т.к. определяет качество проведения скорняжных работ и срок носки меховых изделий. Лучшими по качеству считаются шкурки, которые обладают высокими показателями полного и остаточного удлинения. Отсутствие пластичности способствует деформации и усадке изделий. Однако избыточная пластичность также нежелательна, т.к. изделие утрачивает форму вследствие остаточной деформации участков, которые подвергаются интенсивному растяжению.
В результате проделанной работы установлено, что образцы мехового полуфабриката после плазмо-химической обработки в среде азота приобретают большее удлинение относительно контрольного образца, кроме того, они обладают пластичностью, т.е. способностью эффективнее восстанавливаться после растяжения. Отличная пластичность обеспечивает при расправке шкурок возможность изменять не только их конфигурацию во всех направлениях, но также и площадь, что ценно при выполнении скорняжных работ. Кроме того, показатель прочности волосяного покрова мехового полуфабриката в азотсодержащей плазме также увеличивается до 17%.
Исследование сорбционных характеристик мехового полуфабриката после обработки в ВЧЕ азото-содержащей плазме пониженного давления независимо от режима обработки, показало, что материал приобретает гидрофильные свойства (время впитывания капли снижается до 100%), что является нежелательным эффектом для готового мехового полуфабриката.
Далее проведены исследования плазмохимиче-ской модификации мехового полуфабриката в среде газа пропана. Ранее изучение взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы в плаз-мообразующем газе пропане с модельными соединениями (желатин) показало увеличение количества метильных групп в исследуемом образце, что теоретически должно придать материалу гидрофобность. Полученные ИК спектры кожевой ткани мехового
полуфабриката (рис. 2) подтвердили это предположение.
Рис. 2 - ИК-Фурье спектры образцов кожевой ткани мехового полуфабриката: не модифицированного (1), модифицированного в среде пропана (2)
В результате плазменной модификации мехового полуфабриката в плазмообразующем газе пропане у материала выражены гидрофобные свойства поверхности, при этом увеличение мощности вкладываемого в разряд приводит к усилению данного эффекта (время впитывания капли воды увеличивается до 46%). Данный результат особенно актуален в условиях постоянного потепления климата.
При модификации в диапазоне 0,7-1,34 кВт, т.е. при малых мощностях, отмечается увеличение показателя прочности кожевой ткани до 70%,. Однако относительное удлинение снижается до 20%. Дальнейшее увеличение мощности разряда приводит к повышению прочности материала до 140% и росту относительного удлинения до 15%, однако дальнейшее повышение мощности разряда способствует снижению прочности материала и увеличению показателя относительного удлинения.
При необходимости сохранения и увеличения гидрофильных характеристик, рекомендуется проводить плазменную обработку в среде кислорода [3], т.к. при модификация кислородной или кислородсодержащей плазмой способствует к созданию полярных групп в поверхностном слое, что доказы-
Рис. 3 - ИК-Фурье спектры образцов кожевой ткани мехового полуфабриката: не модифицированного (1), модифицированного в среде кислорода (2)
Анализ ИК-спектров показал повышение интенсивности полос поглощения в следующих областях: 3000-3500 см-1 (данный диапазон характерен для ОН-группы) и 1500-1700 см-1 (данный диапазон характерен для - СОО группы), что указывает на увеличение количества данных функциональных групп при плазмохимической модификации в среде кислорода. Данный факт приводит к увеличению гидро-фильности (время впитывания капли воды уменьшается на 90%) мехового полуфабриката после его модификации в среде плазмообразующего газа кислорода независимо от режимов плазменной обработки.
При модификации в диапазоне мощностей 0,7 -1,34 кВт (в малых мощностях) отмечается увеличение показателя прочности мехового полуфабриката до 100%, однако при этом относительное удлинение снижалось до 40%. При дальнейшем повышении мощности разряда наблюдается рост показателя прочности до 150% и увеличение относительного удлинения до 10%, однако дальнейшее повышение мощности разряда приводит к снижению прочности и увеличению относительного удлинения, в результате протекания деструктивных процессов за счет чрезмерного окисления белков.
При применении традиционных способов обработки мехового материала улучшение сорбционных характеристик, как правило, достигается в результате дополнительного разделения структуры материала, что неизбежно способствует снижению механических показателей и наоборот.
Выводы
В работе можно сделать следующие выводы:
1. Рекомендована плазменная модификация биополимеров в среде азота в сильноточном режиме
(мощность от 1,46 кВт до 1,82кВт), т.к. происходит увеличение прочности мехового полуфабриката на 40-160% с одновременным ростом показателя относительного удлинения на 9-11%. При этом создание гидрофильных свойств материала не зависит от режима плазменной модификации.
2. Рекомендована плазменная модификация биополимеров в среде пропана в сильноточном режиме (мощность от 1,46 кВт до 1,82кВт), т.к. происходит увеличение прочности мехового полуфабриката на 140% с одновременным ростом показателя относительного удлинения на 15%. При этом независимо от режима модификации материал демонстрирует гидрофобные свойства.
3. Рекомендована плазменная модификация биополимеров в среде кислорода в сильноточном режиме (мощность от 1,46 кВт до 1,82кВт), т.к. происходит увеличение прочности мехового полуфабриката на 150% с одновременным ростом показателя относительного удлинения на 10%. При этом создание гидрофильных свойств материала не зависит от режима плазменной модификации.
Литература
1. Е.А. Панкова, Дисс.докт.техн.наук, ФГБОУ ВПО «КНИТУ», Казань, 2011. 310 с.
2. Г.Р.Рахматуллина Дисс.докт.техн.наук, ФГБОУ ВПО «КНИТУ», Казань, 2010. 300 с.
3. Е.А. Панкова, И.Ш. Абдуллин, Л.А.Зенитова Применение кислородсодержащей плазмы с целью повышения качественных характеристик натуральных волокнистых материалов Вестник Казанского Технологического Университета. 2011, №5, С. 12-15.
© E. А. Панкова - д.т.н., профессор каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; О. В. Фукина - д.т.н., профессор кафедры товароведения и товарной экспертизы Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова, [email protected]; Г. Р. Рахматуллина - д.т.н., профессор каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected].
© E. A. Pankova - Doctor of Technical Sciences Professor - Department of Plasma-chulnazemical and high-molecular nanotechnolo-gy materials, KNRTU, [email protected]; O. V. Fokina - Doctor of Technical Sciences, Professor - Department of commodity science and commodity examination of the Russian economic University named after G. V. Plekhanov, [email protected]; G. R. Rakhmat-iillina - Doctor of Technical Sciences Professor - Department of Plasma-chulnazemical and high-molecular nanotechnology materials, KNRTU, [email protected].
