CC BY
72
УДК 675.015.64:533.9
Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, И. В. Красина
КОМПЛЕКСНАЯ СТРУКТУРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ МЕХА ОВЧИНЫ В ПЛАЗМЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: мех, коллаген, кератин, структура, электронная микроскопия, модификация, высокочастотная
плазма, травление.
Установлена возможность комплексная модификация волосяного покрова и кожевой ткани меха в единых режимах ВЧ плазменной обработки. Плазменная модификация выражается в повышении гидрофильных свойств коллаген- и кератинсодержащего компонентов. Изменение материала происходит под действием общих механизмов, которые заключаются в травлении поверхности кутикулы волоса низкоэнергетичными ионами плазмы и развитии пористости кожевой ткани меха после разрушения ретикулинового чехла под действием рекомбинирующих ионов со стороны пор материала.
Keywords: fur, collagen, keratin, structure, electronic microscopy, modification, radio-frequency plasma, etching.
Possibility of complex modification of a scalp and fur skin in uniform modes of RF-plasma treatment is established. Modification in plasma is expressed in increase of hydrophilic properties of collagen- and keratin-containing components. Material is changing under the influence of the general mechanisms which consist in surface etching of hair cuticula by low-energetic ions ofplasma and porosity development in fur skin after destruction of a reticuline-cover by recombining ions from pore space of material.
Модификация материалов кожевенно-меховой промышленности в плазме
высокочастотного разряда пониженного давления является перспективным методом улучшения их технологических и потребительских свойств. В качестве основных механизмов ВЧ-плазменной модификации выделяют развитие пористости кожевенного материала [1], изменение геометрии и рельефности кутикулы волосяного покрова [2], трансформации на уровне наноструктур белков [3], формирование активных центров на поверхности материала [4], разрыв и образование межмолекулярных связей, формирование слоев захороненных атомов [5], изменение степени надмолекулярной упорядоченности белков [6], вплоть до изменения конформации полипептидных цепей коллагена и кератина.
Установленные эффекты в большинстве работ рассматриваются в отдельности -структурные аспекты модификации волосяного покрова либо кожевенного материала (кожевой ткани меха). Вместе с тем для промышленного производства актуальным является наличие комплексного эффекта модификации как в волосяном покрова, так и в кожевой ткани меха, при этом оптимальным являлось бы единство технологических режимов ВЧ-плазменной модификации.
Проведен эксперимент комплексной модификации меха в плазме ВЧ-разряда пониженного давления. В качестве объектов исследования выбраны образцы меховой овчины после процессов выделки. Образцы вырезались из параллельных топографических участков шкуры. В качестве плазменного оборудования использовалась опытно промышленная ВЧ-плазменная установка, описанная в литературе [7]. Параметры плазменной обработки варьировались в следующих диапазонах: мощность разряда (Wp) 1,0-2,0 кВт, давление в разрядной камере (P) 13,3-26,6 Па, время обработки (т) 1-15 мин, расход плазмообразующего газа - аргона (GAr) 0,02-0,06 г/с.
Выбор режимов ВЧ-плазменной модификации осуществлялся на основе методов экспресс анализа гидрофильных свойств волосяного покрова и кожевой ткани - методами определения 2-часовой намокаемости и водопромокаемости в статических условиях. На основе экспресс анализа установлено, что режимом ВЧ плазменной обработки одновременно улучшающим гидрофильные свойства и кожевой ткани и волосяного покрова является режим
при = 1,6 кВт; Р =26,6 Па; т =15 мин; Єаг =0,04 г/с. 2-часоваемая намокаемость кожевой ткани увеличивается на 40 %, волосяного покрова - на 15 %, водопромокаемость кожевой ткани увеличивается в 3,5 раза, волосяного покрова - в 2 раза. Таким образом модификация способствовала снижению инертности волокнистых материалов и улучшению их сорбционной способности, что особо важно для улучшения технологических свойств полуфабриката на этапе отделочных процессов.
Волосяной покров и кожевая ткань, образцов меховой овчины, обработанных ВЧ-плазмой в выбранных режимах исследована методом РЭМ (рис. 1, 2).
Рис. 1 - Микрофотографии кожевой ткани меха овчины, поперечный срез дермы в области сетчатого слоя, 2 000 *: а - исходный образец; б - образец после ВЧ-плазменной модификации в режиме = 1,6 кВт; Р =26,6 Па; т =15 мин; Одг =0,04 г/с
Микрофотографии кожевой ткани меха (рис. 1) демонстрируют типичную для овчины тонковолокнистую структуру дермы, с пучками волокон поперечным размером 5-15 мкм и элементарными волокнами 0,5-2 мкм. В исходном образце четко идентифицируются пучки волокон, сами элементарные волокна в пределах пучка расположены плотно, и местами недифференцированы (рис. 1а). В образце кожевой ткани меха после ВЧ-плазменной модификации элементарные коллагеновые волокна разделены настолько сильно внутри пучков, что трудно определить геометрические границы отдельных пучков (рис. 1 б).
Микрофотографии волосяного покрова меха демонстрируют волосы идентичного строения, поперечным размером около 20 мкм, с кольцевидной формой кутикулы. В исходном образце кутикула цельная и рельефная (рис. 2а), в образце, модифицированном ВЧ плазмой заметно, что рельефность кутикулы сглажена, особенно в области выступов кутикулы, заметны зоны открытого кутикулярного матрикса, отдельные клетки кутикулы имеют шероховатую поверхность (рис. 2б).
Таким образом, установлено, что возможна комплексная модификация волосяного покрова и кожевой ткани меха в единых режимах ВЧ плазменной обработки. Плазменная модификация выражается в повышении гидрофильных свойств коллаген- и кератинсодержащего компонентов. Структурные изменения кожевой ткани выражаются в развитии пористости внутри коллагеновых пучков, в значительном разделении пучков. Эффект модификации волосяного покрова вражается в травлении поверхности кутикулы
волоса, приводя к удалению выступов, открытию кутикулярного матрикса и развитию поверхности кутикулы.
Рис. 2 - Микрофотографии волосяного покрова меха овчины, 5 000 *: а - исходный образец; б - образец после ВЧ-плазменной модификации в режиме №р = 1,6 кВт;
Р =26,6 Па; т =15 мин; Оаг =0,04 г/с
Известно, что при модификации пористого материала в плазме ВЧ разряда пониженного давления основными факторами модификации являются воздействие низкоэнергетичного ионного потока на поверхность образца (30-100 эВ) и воздействие рекомбинирующих ионов на внутреннюю поверхность пор и капилляров (12,4-25,2 эВ). Если предположить единство механизмов модификации коллаген- и кератинсодержащего компонента меха, то в значительной мере изменение материала определяет травление поверхности, наглядно видимое при РЭМ-исследовании кутикулы волоса. Таким образом, разделение пучков коллагеновых волокон связано с травлением покрывающего их «чехла». Целостность коллагеновых пучков формирует сеть ретикулиновых волокон [8]. Следовательно, развитие пористости кожевой ткани меха во многом вызвано травлением ретикулинового чехла потоком рекомбинирующих ионов со стороны пор материала.
Единство механизмов ВЧ плазменного воздействия на поверхности и в поровом объеме также подтверждается и исследованиями реакции структуры фибрилл коллагена на модификацию [9]. Установлено, что после плазменной обработки наблюдается нарушение целостности фибрилл, фибриллы утрачивают часть поперечного размера и образуют плотные агрегаты в структуре коллагеновых волокон, данный эффект также объясняется нарушением целостности ограничивающего фибриллы гликозоаминогликанового покрова.
Литература
1. Вознесенский, Э. Ф. Структурные изменения кожевенных материалов под воздействием высокочастотной плазмы пониженного давления / Э. Ф. Вознесенский, А. Ф. Дресвянников,
И.В. Красина, Г.Н. Кулевцов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2005, № 2, Ч. 2. - С. 265-269.
2. Абдуллин, И.Ш. Модификация поверхности волокон шерсти в низкотемпературной плазме ВЧ разряда / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, Ф.С. Шарифуллин, Л.Р. Джанбекова // Известия высших учебных заведений. Технология легкой промышленности. - 2010, № 2. - С. 11-14.
3. Абдуллин, И.Ш. Особенности наноструктуры кожевенного материала, полученного с применением высокочастотной плазменной обработки / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, И.В. Красина, Г.Н. Кулевцов, Л.Р. Джанбекова // Нанотехника. - 2008. - № 4. - С. 75-78.
4. Джанбекова, Л.Р. Исследование влияния плазменной модификации на изменение структуры валяльно-войлочных материалов методом ЯМР-релаксометрии / Л.Р. Джанбекова, П.П. Суханов,
Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, А.Ф. Дресвянников // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2GG9, № 4. -С. 72-75.
5. Абдуллин, И. Ш. Высокочастотная плазменная обработка в динамическом вакууме капиллярнопористых материалов. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, Л.Н. Абуталипова, В.С. Желтухин, И.В. Красина. Казань: Изд-во КГУ, 2GG4. - 427с.
6. Вознесенский, Э.Ф. Структурные исследования хромовой кожи, модифицированной в плазме ВЧ-разряда пониженного давления / Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, И.В. Красина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2G1G, № 9. - С. 165-169.
7. Кулевцов, Г.Н. Повышение эффективности использования сырья, полуфабриката, отходов и вспомогательных материалов кожевенного производства с применением низкотемпературной плазмы / Г.Н. Кулевцов, Л.Р. Джанбекова, И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, И.В. Красина, Э.Ф. Вознесенский. Казань: Изд-во Казан. гос. технол ун-та, 2GGB. - 26G с.
В. J. Kay, D. Lloyd// Proc. Roy. Soc, London. - 1924 (96). - P. 295.
9. Вознесенский, Э.Ф. Модификация коллагеновых фибрилл в плазме высокочастотного разряда пониженного давления / Э.Ф. Вознесенский // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2G1G, № 11. - С. 53В-54G.
© Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, howrip@rambler.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, tkim1@kstu.ru; И. В. Красина - д-р техн. наук, проф.каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, irina_krasina@mail.ru.
35G
