Улучшение механических свойств и адгезионной прочности кожи за счет применения физического метода обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 675.1

Г. Р. Рахматуллина

УЛУЧШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ

КОЖИ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО МЕТОДА ОБРАБОТКИ

Ключевые слова: физический метод обработки, кожа. рhysical method of processing, skin.

Плазменная обработка кожи приводит к перераспределению пор и капилляров, изменяются как размеры пор, так и соотношение между отдельными размерными группами, что является причиной повышения механических свойств материала, кроме того, увеличение адгезии покрытия к коже после воздействия плазмой связано с одновременной модификацией структур кожи и пленки Plasma processing of a skin leads to redistribution of a time and capillaries, change both the sizes of a time, and a parity between separate dimensional groups that is at the bottom of increase of mechanical properties of a material, except that, the increase in adhesion of a covering to a skin after influence by plasma is connected with simultaneous updating of structures of a skin and a film.

Введение

Эксперты считают, что повышение конкурентоспособности кожевенной продукции можно ожидать в первую очередь за счет повышения качества и расширения ассортимента кожевенных изделий. Однако в настоящее время для производства изделий легкой промышленности в основном используют импортные химические материалы и оборудование, что ставит в невыгодные условия отечественных производителей. Изменить данную ситуацию в отрасли можно только за счет применения отечественных «прорывных» технологий, которые позволят существенно повысить качество товаров, снизить себестоимость, уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду, расширить ассортимент выпускаемой продукции.

Одной из таких перспективных технологий является применение плазмы высокочастотного (ВЧ) разряда, которая обеспечивает создание в порах несамостоятельного разряда и обработку, как поверхности, так и внутреннего пространства. Применение данной обработки позволит целенаправленно модифицировать структуру и придавать необходимые свойства натуральной коже.

В данной работе исследована возможность улучшения механических свойств, в том числе и адгезии покрытия к коже за счет воздействия низкотемпературной плазмы.

Обсуждение результатов

Модификация кожи проводилась на промышленной ВЧ-плазменной установке, которая состоит трех основных составных частей: высокочастотного генератора,

вакуумной камеры и плазмохимического реактора [1].

Для оценки влияния низкотемпературной плазмы пониженного давления на механические свойства кожи определяли предел прочности при растяжении, прочность лицевого слоя, относительное удлинение, устойчивость покрытия к многократному изгибу, устойчивость к истиранию, адгезию покрытия к коже в наилучшем режиме, определенном ранее (табл. 1).

Плазменная обработка приводит к увеличению прочностных характеристик, таких как предела прочности при растяжении на 15% и прочность лицевого слоя на 15%, также увеличивается устойчивость покрытия к многократному изгибу на 33%, устойчивость к истиранию на 12,5% и адгезия покрытия к коже на 30-60%.

Таблица 1 - Влияние плазменной обработки на механические свойства кожи с эмульсионным покрытием (О=0,04г/с, Р=13,3Па, 1=5мин, Wp=1,07кВт)

Показатели Образцы

Опытный Контрольный

Предел прочности при растяжении, МПа 17,5 15,2

Напряжение при появлении трещин лицевого слоя, МПа 16,7 14,5

Удлинение при напряжении 10 МПа, % 36 37

Устойчивость покрытия к многократному изгибу, баллы 4 3

Адгезия покрывной пленки, Н/м

- к сухой коже 825 520

- к мокрой коже 482 371

Устойчивость покрытия к истиранию, обороты 45 40

Для того чтобы понять, почему происходит улучшение механических свойств натурального материала, рассмотрим подробнее структуру кожи.

Дерма - основной слой шкуры, используемый в кожевенном производстве, масса которого образована волокнами белков коллагена, эластина и ретикулина. В дерме содержаться также свободные клетки: фибропласты, жировые и пигментные клетки. Основную массу дермы (80%) составляют коллагеновые волокна. Коллаген -фибриллярный белок, встречающийся только в животном мире. Выделяют четыре уровня структуры коллагена: первичный, вторичный, третичный, четвертичный. В формировании уровней структурной организации коллагена принимают участие самые различные типы связей и взаимодействий (табл. 2).

Таблица 2 - Связи, участвующие в формировании структуры коллагена дермы кожного покрова

Тип связей Энергия взаимодействия, эВ

Ковалентная 10-20

Электровалентная 5-10

Водородная 25,98 10-5

Вандерваальсовые силы (4,34-25,98)10-5

Межмолекулярное Более 20

взаимодействие

Формирование надмолекулярной структуры коллагена, определяющее его биологические функции, представляет собой сложный процесс. В нем принимает участие достаточно большое число групп, разнообразных по своим свойствам, возникают различные типы связей и взаимодействий, тесно связанных между собой. В конечном счете, в надмолекулярной структуре коллагена устанавливается тонкое равновесие сил, соответствующее минимуму свободной энергии.

Воздействие ВЧ-плазмы пониженного давления на кожевенные материалы является комплексным. Наибольший вклад в модификацию внешней поверхности вносят три процесса: рекомбинация ионов и передача энергии, приобретенной в слое поверхностного заряда у поверхности твердого тела, термическое воздействие, а в модификацию «в объеме» - рекомбинация ионов и термическое воздействие. Происходит одновременно обработка внешней поверхности материалов и внутренней поверхности пор и капилляров. Взаимодействие потоков заряженных частиц, поступающих на внешнюю поверхность из плазмы, а на внутреннюю из объема пор и капилляров приводит к изменению коллагена на надмолекулярном уровне.

Ионы аргона, поступающие на поверхность кожи, а частично во внутрь фибриллы доходят до четвертичной структуры, разбивая связи со слабой энергией.

Увеличение способности пучков волокон к ориентации связано с получением дополнительной энергии в результате бомбардировки и рекомбинации ионов, что приводит к разволокнению структуры и за счет этого увеличивается пористость кожи (рис. 1). В капиллярно-пористом теле происходит перераспределение пор и капилляров, изменяются как размеры пор, так и соотношение между отдельными размерными группами.

Рис. 1 - Фотографии срезов образцов кожи с эмульсионным покрытием (увеличение в 50 раз): а - контрольный образец; б - опытный образец (0=0,04 г/с, Wp=1,07кВт, Р=13,3 Па, 1=5 мин)

Увеличение прочности кожевенных материалов, имеющих развитую систему пор и капилляров, связано с изменением волокнистой структуры дермы (рис. 2).

Увеличение упорядоченности аморфной фазы и увеличение процента кристаллической фазы приводит к увеличению прочности кожи, однако кожа не приобретает жесткость, так как параллельно с процессом упрочнения протекает процесс разволокнения, при котором уменьшается компактность переплетений структурных

элементов кожи, увеличивается их подвижность и способность к перемещению под влиянием изгибающих сил. Микрофотографии среза кожи показывают, что уменьшение компактности сплетения приводит к уменьшению плотности, увеличению пористости, меняется извитость пучков волокон (рис. 1).

Рис. 2 - Дифракционные кривые кожи (О=0,04г/с, Wp=1,07кВт, 1=5мин, Р=13,3Па): а -контрольный образец; б - опытный образец

Увеличение адгезии покрытия к коже после воздействия плазмой связано, прежде всего, с тем, что повышается их сродство, за счет модификации одновременно структур кожи и пленки, увеличивается площадь их соприкосновения (рис. 1), связанное с увеличением пористости кожи, за счет расщепления волокон.

Покрытие, нанесенное на поверхность кожи контрольного образца, практически не повторяет структуру кожи и образует плотную пленку, что неблагоприятно влияет на гигиенические свойства и адгезию покрытия к коже

После плазменного воздействия на кожу с эмульсионным покрытием более четко выражен рельеф поверхности шлифованной кожи (рис. 1), следовательно площадь соприкосновения пленки с поверхностью кожи увеличивается, покрытие на коже становится меньшей толщины, т. к. происходит более глубокое проникновение покрытия в глубь кожи, образуется при этом более развитый переходной слой, в результате чего значительно увеличивается адгезия покрытия к коже.

Таким образом, при плазменной обработке кожи с эмульсионным покрытием происходит перераспределение пор и капилляров, изменяются как размеры пор, так и соотношение между отдельными размерными группами, что является причиной повышения механических свойств материала, кроме того, увеличение адгезии покрытия к коже после воздействия плазмой связано с одновременной модификацией структур кожи и пленки.

Экспериментальная часть

Испытания кожи на растяжение по ГОСТ 938.11 проводили на маятниковых разрывных машинах РТ-250М с автоматическим прибором для записи диаграммы растяжения конструкции завода «Текстильмашприбор». Отбор проб и подготовку образцов к испытаниям осуществляли согласно ГОСТ 938.12. Предел прочности при растяжении фиксировали по шкале нагрузок разрывной машины. Прочность лицевого слоя определяли при появлении трещины лицевой поверхности. Величину нагрузки, необходимую для подсчета напряжения, и момент появления трещин определяли по диаграмме растяжения или фиксировали по шкале нагрузок.

Удлинение полуфабриката измеряли одновременно с пределом прочности при растяжении на тех же образцах. Общее удлинение устанавливали при нагрузке в момент разрыва на единицу поперечного сечения.

Определение относительного удлинения при некотором заданном напряжении (10 МПа) осуществлялось следующим образом: во время проведения испытания по шкале нагрузок наблюдали за моментом достижения вычисленной нагрузки и в этот момент фиксировали удлинение по шкале удлинений в миллиметрах. Кожа относится к упругопластическим материалам и не подчиняется закону Гука, поэтому модуль упругости является условным показателем.

Устойчивость покрытий на коже к многократному изгибу определяли на приборе ИПК-2 по ГОСТ 13868. Этот показатель характеризуется числом изгибов образца кожи до появления дефектов на покрытии.

Устойчивость покрытия к сухому и мокрому трению определяли по ГОСТ 938.29 на приборе ИПК-1. В патроне прибора закрепляли кусок очищенного от аппретуры миткаля в сухом, а затем в мокром состоянии. Патрон устанавливали на образец и подвергали вращению, по количеству оборотов до появления дефектов на покрытии судили об устойчивости окраски к сухому и мокрому трению.

Адгезионную прочность покрытия к коже смотрели в соответствии с приложением 6. Отбирали образцы кожи по ГОСТу 938.0 размером 70*70 мм2, на пробе отмечают направление хребтовой линии. Выстиранные и выглаженные полоски миткаля такого же размера равномерно намазывали клеем нитроцеллюлозным с помощью острого штапеля. Склеенную пробу выдерживают на воздухе при 1=20 оС 20 мин, затем под прессом Р=0,5 МПа - 20 мин и в сушильном шкафу при 1=60 оС 40-50 мин. Кондиционировали 24 ч. Из пробы вырезали 6 образцов: 3 образца испытывали в сухом состоянии, 3 - в мокром (погружали в воду при 1=60 оС на 3 ч). Прочность прилипания сухих и мокрых склеек испытывали, отрывая миткаль от кожи на разрывной машине РМ-3.

Адгезионную прочность (А), Н/м определяли:

А=Рср/а,

где Рср - средняя нагрузка при отслаивании покрытия, Н; а - ширина образца, м.

Заключение

Таким образом, анализируя выше приведенные данные можно сделать вывод, что плазменная обработка кожи с эмульсионным покрытием приводит к перераспределению пор и капилляров, именно это является причиной повышения механических свойств материала, кроме того, увеличение адгезии покрытия к коже после воздействия плазмой связано с одновременной модификацией структур кожи и пленки.

Литература

1. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. -Казань: Изд-во Казан. ун-та. 2000. - 348 с.

© Г. Р. Рахматуллина - канд. техн. наук, доцент КГТУ. Е-шай^и1па2-:Г@уаМех.ги