CC BY
63
Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, И. В. Красина
ПОСТРОЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ СЕТЧАТОГО СЛОЯ КОЖИ
Ключевые слова: натуральная кожа, микроструктура, волокна, пористость,
моделирование, бинарный массив.
Статья посвящена описанию способа моделирования пористой структуры кожи. Предлагается построение дискретных моделей разных уровней структуры. Пористая структура представлена в виде трехмерного бинарного массива, созданного на основе объемной геометрической модели.
Keywords: natural leather, microstructure, fibres, porosity, modelling, binary array.
Article describes a way in modelling of porous structure of a leather. The discrete models of different levels of structure is offered. The porous structure is presented in the form of the three-dimensional binary array created on the basis of volume geometrical model.
Натуральная выделанная кожа - это материал, сочетающий в себе сложную армированную систему волокон и капиллярно-пористую структуру. Натуральная кожа обладает прекрасной пластичностью, прочностью, износо-, химо-, термостойкостью; вместе с тем, она газо-, паропроницаема и гигроскопична. Данные свойства обусловлены особенностями ее волокнистого строения.
Кожевая ткань шкуры животного представляет собой систему высокоупорядоченных фибрилл и волокон коллагена (как армирующего компонента), погруженную в аморфную матрицу из глобулярных белков, жиров и др. Невыделанная кожевая ткань пористостью, как таковой, не обладает. В процессах выделки происходит вымывание межволокон-ных веществ, а также химическое и физическое упрочнение волокон, что приводит к формированию пористости.
Волокнистую структуру кожи образуют хорошо различимые при микроскопии вторичные (рис. 1а) и первичные (рис. 1б) коллагеновые волокна, в свою очередь образованные из фибрилл, первоначальным элементом которых являются триплетные макромолеку-лярные спирали тропоколлагена.
Пористость кожи непосредственно связана с укладкой волокон. Так вторичные волокна при взаимном трехмерном переплетении образуют макропоры (1-50 мкм), первичные коллагеновые волокна, продольно упаковываясь внутри вторичных, образуют мезопо-ры (0,05-2 мкм); фибриллы внутри первичных волокон могут образовывать микропоры нанометрового размера (5-70 нм); хотя имеются сведения об отсутствии активных сорбционных процессов в этом уровне структуры [1].
В процессах выделки активные реагенты формируют пористую структуру кожи и диффундируют в нее, вызывая ее динамические изменения. Во время направленной модификации материала и даже при эксплуатации изделий из натуральной кожи пористая структура взаимодействует с разнообразными средам и претерпевает изменения. Для кон-
троля процессов выделки, модификации и качества готового материала, а также прогнозирования его эксплуатационных свойств необходимо подробное исследование структуры.
Рис. 1 - Микрофотографии сетчатого слоя краста КРС: а - вторичные волокна, х 100; б - первичные волокна, х 2000
Для интерпретации данных структурных исследований, а также для изучения и моделирования сорбционных и газообменных процессов актуальной является задача построения адекватной модели волокнисто-пористой структуры кожи [2].
Структура кожевенного материала, начиная с микроструктуры - переплетений вторичных волокон и далее вглубь - укладки первичных волокон и фибрилл, рассмотрена в виде отдельных трехмерных дискретных моделей.
Наиболее сложную пространственную ориентацию имеет укладка вторичных коллагеновых волокон дермы. Взаимная укладка вторичных волокон и их наклон к поверхности зависят от топографии рассматриваемого участка дермы. В качестве характерного угла наклона волокон к поверхности шкуры выбран угол в 12,50.
На первом этапе моделировались переплетения вторичных волокон цилиндрическими элементами. Моделировались направляющие (оси) цилиндров - прямые в трехмерном пространстве. Относительно плоскости направляющие расположены под углом 12,50, между собой проекции направляющих на ХОУ образуют угол в 1200. Далее область построения заполнялась цилиндрами, поверхности которых взаимно расположены по касательным и без пересечений, до получения равномерной укладки.
При рассмотрении такой структуры в плоскости ХОУ укладка не обеспечивает сплошности перекрытия, что существенно снижает адекватность модели реальной геометрии волокнистой структуры дермы. Для уплотнения структуры цилиндры уплощены до получения в сечении эллипса и входят в пересечение на 10 %.
Затем, чтобы разделить объем модели на занимаемый материалом и порами, модель аппроксимировалась, полые оболочка структуры заполнялась единицами, а поры нулями. Вырезался прямоугольный фрагмент ЛХ^ЛУ^ЛХ наиболее характерного участка переплетений (рис. 2). Таким образом, структура материала представлена в виде трехмерного бинарного массива В заданного размера ЛХ^ЛУ^ЛХ.
Рис. 2 - Модель фрагмента пористой структуры при переплетении вторичных волокон дермы
Данное представление структуры позволяет рассчитать пористость модели путем деления суммы элементов О на количество ячеек: 'Е(В) /ЛХ^ЛУ^ЛХ (макропористость модели составляет 61 %).
На втором этапе моделировался фрагмент вторичного волокна и взаимная укладка в нем первичных волокон (рис. 3). Угол наклона вторичного волокна к плоскости XOY задан таким же, как и в первой модели, по тому же алгоритму определялась и пористость вторичного волокна (~ 19 %). Если учитывать два уровня пористости суммарная пористость модели определяется по формуле [3]:
I опё. = 1 2 + (1 _ I 2) • I '1, (1)
где П2 - макропористость образца; П’1 - пористость одного вторичного волокна. Пористость модели составляет 68,4 %.
Рис. 3 - Модель фрагмента вторичного волокна дермы
На основе данных порометрии и микроскопических исследований модель может быть адаптирована к структуре любой кожи за счет изменения размеров первичных и вторичных волокон, межволоконных пространств, а также угла наклона вторичных волокон к поверхности.
На основе представленной модели может быть рассмотрена сорбция обрабатывающих растворов [4] при выделке кожи, а также пара-, газообменные процессы. Отличительной особенностью данной модели в сравнении с моделями из полых оболочек является наличие ячеек, занимаемых массами материала. При доработке модель может быть применена для иллюстрации качественных изменений внутри материала и их локализации в его объеме.
Литература
1. Chien, J. / J. Chien // Journal of Macromolecular Science (Rewiews). - 1975 (12C). - P. 1.
2. Абдуллин, И.Ш. Зависимость между деформациями волокнистых элементов и пористостью кожевенного материала при ВЧЕ-плазменной модификации / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, И.В. Красина, Г.Н. Кулевцов, Л.Р. Джанбекова, Е.И. Мекешкина-Абдуллина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - № 6, Ч. 1. - С. 12-16.
3. Абдуллин, И.Ш. Моделирование микроструктуры кожевенного материала на стадиях производства и при ВЧЕ-плазменной обработке / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, В.С. Желтухин, И.В. Красина. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. - 229 с.
4. Гуриков, П.А. Моделирование структуры пористого тела и диффузии в нем активных веществ / П.А. Гуриков, А.В. Колнооченко, Н.В. Меньшутина // Изв. вузов. Химия и хим. технология. -2009, Т. 52, Вып. 12. - С. 131-132.
© 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, зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КГТУ, irina_krasina@mail.ru.
