CC BY
25
УДК 547.495
Е. А. Панкова, Г. Р. Рахматуллина, А. С. Парсанов
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ОТДЕЛКИ НАТУРАЛЬНЫХ КОЖ
Ключевые слова: наночастицы серебра, ВЧИ плазма пониженного давления, натуральная кожа, технология отделки, улучшение физико-механических характеристик.
Разработана технология плазмохимической отделки натуральных кож, основанной на применении наноча-стиц серебра и ВЧИ плазмы пониженного давления. Для обработки материалов наночастицами в условиях индукционного разряда разработан индукционный высокочастотный плазмотрон. Установлено, что применение данной технологии позволяет значительно повысить качество натуральных кож в частности значительно улучшить их физико-механические показатели.
Keywords: silver nanoparticles, plasma of low pressure, natural leather, finish technology, the improvement ofphysico-mechanical
characteristics.
The developed technology ofplasma-chemical finishing of natural leathers based on the use of silver nanoparticles and plasma of low pressure. For the treatment of materials with nanoparticles under induction discharge conditions, a high-frequency induction plasma generator is developed. The use of this technology can significantly improve the quality of the natural leather in particular to significantly improve their physical and mechanical properties.
Введение
Кожевенное производство имеет богатую историю развития. Пройдя долгий и непростой путь, производство кожи является для многих стран мира ведущей отраслью промышленности. Российская кожевенная промышленность зародилась еще в начале XVIII века и в настоящее время в России функционирует порядка сорока кожевенных заводов. На протяжении долгих лет, методы, применяемые для обработки кожи, оставались весьма примитивными, однако в данное время, в отрасли используются передовые достижения науки, техники и новейшие технологии. Особое значение это приобрело в рамках плана по импортозамещению в легкой промышленности, утвержденного приказом министра марте 2016 года [1].
Поэтому целью нашей работы являлась разработка технологии отделки натуральных кож, позволяющей значительно повысить их качественные характеристики.
Технологии, традиционно применяемые для обработки кожевенных материалов, не обеспечивают комплексного изменения их свойств, поскольку зачастую обладают узконаправленным действием. Ряд исследований, проведенных ранее, показал перспективность применения плазменной модификации [2], а также наночастиц серебра для обработки кожевенных материалов [3] и повышения их качества.
В работе проведена сравнительная оценка образцов кожевенных материалов модифицированных наночастицами серебра и образцов, модифицированных наночастицами серебра в ВЧИ разряде пониженного давления. Для обработки применялась экспериментальная ВЧИ плазменная установка, параметры которой регулировались в следующих диапазонах: сила тока 0,3-0,9А, напряжение на аноде 18кВ, расход плазмообразующего газа 0,04-0,08г/с, продолжительность обработки 1-9мин, частота генератора 13,56 МГц, давление в разрядной камере 26,6Па. Плазмообразующий газ-аргон. Для обработки выбрали препарат «Agбион-2» [4] на основании положительной оценки Института химии растворов
РАН (безопасность «Аgбион-2» проверена на животных). Установлено, что применение ВЧИ разряда пониженного давления позволяет:
1) наночастицам серебра диффундировать внутрь материала;
2) повысить реакционную способность наноча-стиц за счет ионной бомбардировки;
3) осуществлять фиксацию серебра на структурных элементах коллагена, за счет образования комплексных соединений серебра с аминокислотами. Это происходит из-за вытеснения водорода карбоксильной группы и образования координационной связи азота с ионами серебра;
4) повысить физико-механические свойства кожевенных материалов: улучшить прочность материала на 100%, при одновременном повышении относительного удлинения на 28% [5].
Для реализации предлагаемой схемы плазмохимической обработки кожевенных материалов различного ассортимента в промышленных масштабах предложен реактор, представленный в виде разрядной камеры с несколькими устройствами для генерации нескольких типов плазменных разрядов.
Схема установки представлена на рис.1. Установка разработана для генерации различных видов разряда (ВЧЕ разряд, ВЧИ разряд, дуговой разряд), ее возможности позволяют осуществлять модификацию в один прием без дополнительных загрузок и выгрузок. Установка разработана в рамках докторской диссертации Е.А.Панковой, однако в работе предлагалось проводить многократную плазмохи-мическую обработку меховых материалов. В данной статье рассматривается возможность использования данной установки для обработки кожевенных материалов наночастицами серебра.
Разрядная камера представляет собой цилиндр, расположенный вертикально с боковым проемом закрываемым дверцей. Двойные стенки цилиндра образуют полость водоохлаждения. На стенках предусмотрены технологические проемы для расположения источников плазмы, системы напуска рабочего газа, вакуумной откачной системы и другой аппаратуры. Создание и поддержание необходимого
уровня разряжения в реакционной камере происходит при помощи вакуумной откачной системы.
Рис. 1 - Схема установки для многократной плазмохимической обработки: 1 - разрядная камера; 2, 3 - вакуумные насосы; 4 - автоматический напускной клапан (натекатель); 5 - вакуумметр; 6 - электроды; 7, 10 - генераторы высокочастотные; 8 - плазмотрон индукционный; 9 -индуктор; 11 - экранирующее защитное устройство, изготовленное на базе вакуумного затвора с электромеханическим приводом; 12 - источник дуговой плазмы; 13 - стабилизированный источник питания; 14 - механизм вращения и технологическая оснастка, предназначенная для крепления обрабатываемого материала; 15 - источник питания для подачи опорного напряжения; 16 - водооборотная система; 17 - баллоны с плазмообразующими газами
Вакуумная откачная система собрана на базе вакуумной запорной арматуры, насосов, сильфонных узлов и трубопроводов. Предусмотрена высоковакуумная и форвакуумная откачка, работа которых обеспечивается при параллельной работе диффузионного насоса (Н-250) и двух пластинчато-роторных насосов (2НВР-5ДМ), при этом разряжение в вакуумной камере составляет до 5-10-5мм.рт.ст. Форва-куумная откачка осуществляется 2 форвакуумными насосами при закрытой линии высоковакуумной откачки через байпасную магистраль напрямую из вакуумной камеры. Подача рабочих газов в вакуумную камеру осуществляется через систему напуска. Данная система состоит из клапанов двух типов: запорного и автоматического напускного. Регулирование рабочего давления в вакуумной камере обеспечивается электронным блоком управления напуском БУЭН при согласованной работе с автоматическим напускным клапаном. Система напуска позволяет осуществить подачу газа, поддержание необходимого давления, а также автоматическое регулирование давления в диапазоне 5-102 - 5-10-5 Па. Внутри вакуумной камеры размещены медные водоохла-ждаемые электроды, обеспечивающие поддержание и горение емкостного разряда. Обеспечение электродов энергией, водой осуществляется через герметичные вводы, которые расположены в стенках вакуумной камеры. Питание устройства высокочастотной энергией происходит от высокочастотного
генератора ВЧГ 8-60/13. Выводы электрические из высокочастотного отсека изготовлены через конденсаторы проходные. В неэкранированном отсеке находятся: аппаратура управления, рубильник, пускатель, выпрямитель, анодный трансформатор, панель силовых тиристоров, трансформатор накала, приводы вакуумных конденсаторов, дроссель выпрямителя, контроля и защиты. В стальном корпусе имеется дверцы с двух сторон, обеспечивающие удобство доступа к имеющемуся оборудованию. Измерительные приборы и системы управления, представляют собой приборную панель, расположенную на дверной стенке, которая обеспечивает удобство доступа и контроля. Источник плазмы позволяет получить следующие характеристики разряда [4]: Концентрация
заряженных частиц, 1/м3 1015
Плотность ионного
тока на поверхность А/м2, 0,5-15
Энергия ионов
в слое положительного заряда, эВ 30-100
Плотность тока в плазме, А/м2 до 1,3 1010 А/м2
Напряженность
магнитного поля, А/м 100 10 -300 10
Для обработки материалов наночастицами в условиях индукционного разряда разработан индукционный высокочастотный плазмотрон. Основными частями плазматрона является разрядная камера, индуктор и рубашка охлаждения. Индуктор - это катушка, изготовленная из медной трубки, внутри которой проходит охлаждающая вода. Индуктор расположен на специальном кронштейне, обеспечивающий перемещение его вдоль камеры плазматро-на, изготовленной из кварцевой трубки, верхний край трубки открыт, а нижний имеет штуцеры и пришлифован, необходимые для подачи воды охлаждающей стенки и плазмообразующего газа. Крепление плазмотрона осуществляется к вакуумной камере с помощью уплотнительных колец из вакуумной резины и прижимных фланцев. Осуществляется подвод энергии в плазмотроне к индуктору от высокочастотного генератора ВЧИ 8-60/1,76, который имеет следующие характеристики [4]: Мощность выделяемая
в плазмоид, кВт до 2,5
Диаметр камеры
плазмотрона, мм 34
Время безостановочной работы, ч 200
Охлаждение водяное
Расход газа, г/с до 0,2
В плазмотроне благодаря электромагнитному полю индуктора происходит нагрев и ионизация газа. Для предупреждения появления трещин от интенсивных температурных напряжений на внутренней поверхности камеры плазмотрона, обеспечивается термозащита стенок с помощью газа, которая создается за счет образования завесы между стенкой и плазмой. При этом не происходит разделения на теплозащитный и плазмообразующий потоки, обе эти функции обеспечивает плазмообразующий газ. Подача реализуется тангенциально и движение газа внутри плазмотрона осуществляется по спирали. С
13,3 - 133
до 0,12 1016-1018 1-2
помощью данного устройства создается поток плазмы с характеристиками: Рабочее давление, Па Расход плазмообразующего газа, г/с,
Концентрация электронов, м-3 Электронная температура, эВ Плотность ионного тока на поверхность, А/м2 15-25
В установке предусмотрена система введения коллоидного раствора наночастиц серебра в зону обработки, это реализуется путем продува плазмо-образующего газа через емкость с коллоидным раствором, благодаря этому частицы коллоидного раствора вовлекаются в газовый поток, проходя через плазменный сгусток, и оказываются в плазменной струе. Механизм вращения расположен в центре реакционной камеры, в котором находится технологическая оснастка, необходимая для крепления материала, подвергаемого обработке. Конструкция механизма вращения позволяет размещать технологические оснастки сложной конструкции или нескольких приспособлений, которые одновременно вращаются относительно позиций и осей камеры, со скоростью от 1 до 12 оборотов в минуту, также возможна работа механизма вращения в режиме реверса. Замкнутая водооборотная система используется для охлаждения всех элементов установки. Данная установка обеспечивает плазмохимическую модификацию в один прием, т.е. без дополнительных загрузок и выгрузок [6-9].
На основании имеющихся результатов экспериментальных исследований и технических возможностей описанной плазменной установки разработана технология плазмохимической отделки натуральных кож (табл. 1).
Таблица 1 - Технология плазмохимической отделки натуральных кож
Операция Параметры Описание
Обработке подвергается готовый кожевенный полуфабрикат (параметры обработки приводятся для кожи из шкур овчин)
Завешивание кожевенного материала Готовую кожу на оснастке, размещают в разрядной камере. Герметично дверцу вакуумной камеры закрывают
Откачка По форвакуумной магистрали производится откачка воздуха из камеры
Защитный затвор открывается, затем устанавливается необходимый расхода газа и включается режим генерации_
Плазмохими-ческая обработка с нано-части
цами серебра
Wp=0,5KB т,
G=0,06 г/с ; т=1мин;
Ср-ра=0,1%
Ручкой «регулятор напряжения» режим работы установки устанавливается.
После обработки режим генерации снимается, затем защитный затвор закрывается и прекращается подача плазмообразующего газа._
Кожевенный полуфабрикат, обработанный нано-частицами серебра в условиях ВЧИ плазмы подвергали анализу с целью количественной оценки получаемого эффекта. Установлено, что применение ВЧИ разряда пониженного давления позволяет существенно повысить физико-механические свойства кожевенных материалов: прочность материала увеличивается до 100% при одновременном росте относительного удлинения до 25% [10].
Литература
1) http://www.rbcplus.ru/news/560ac1bc7a8aa943a 9с94681
2) Г.Р.Рахматуллина Дисс.докт.техн.наук, ФГБОУ ВПО «КНИТУ», Казань, 2010. 300 с.
3) Е.А.Панкова, Применение наночастиц серебра и плазменной обработки для создания экологически полноценных технологий выделки меха, журнал «В мире научных открытий», 2010, №2 (08), Часть 4, с. 127-128
4) Е.А. Панкова, Дисс.докт.техн.наук, КНИТУ, Казань, 2011. 310 с.
5) Е.А.Панкова, И.Ш.Абдуллин, А.Р.Ахмадиева Исследование возможности повышения качества мехового полуфабриката за счет обработки наночастицами серебра в условиях ВЧИ плазмы, Вестник Казанского Технологического Университета. 2009, №4, с. 117-120.
6) Абдуллин, И.Ш. Исследование влияния обработки наноматериалами в условиях ВЧИ плазмы на качество мехового полуфабриката из шкур овчины / И.Ш. Абдуллин [и др.] // «Нанотехника».- 2008. - № 3 (15). - С. 6466.
7) Панкова, Е.А. Исследование влияния нанопокрытий из металлов и их соединений на свойства волосяного покрова меха Е.А. Панкова [и др.] // «Нанотехника». -2009. - № 4 (20). - С. 77-79.
8) Панкова, Е.А. Нанотехнологии - путь повышения конкурентоспособности отечественных меховых товаров Е.А. Панкова [и др.] // Кожевенно-обувная промышленность.- 2010. - №3. - С.26-27.
9) Е.А.Панкова, И.Ш.Абдуллин, Ф.С.Шарифуллин Применение нанотехнологий для гидрофобизации меховых материалов// Вестник Казанского технологического университета. - 2012.- №23.-т.15. - С. 19-21.
10) Г.Р. Рахматуллина, Е.А. Панкова, А.К. Хасанова. Повышение качества натуральных кожевенных материалов путем их обработки наночастицами серебра. Научная сессия КНИТУ.- 2017. - С.377.
© Е. А. Панкова - д.т.н., проф. кафедры плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; Г. Р. Рахматуллина - д.т.н., проф. той же кафедры, [email protected]; А. С. Парсанов - технический директор ООО «Мелита», [email protected].
© E. A. Pankova - doctor of Sciences, Professor of the Department of plasma and nanotechnology of high molecular weight materials, KNRTU, [email protected]; G. R. Rakhmatiillina - doctor of Sciences, Professor of the Department of plasma and nanotechnology of high molecular weight materials, KNRTU, [email protected]; A. S. Parsanov - technical Director of "Melita", [email protected].
