Влияние потока низкотемпературной плазмы пониженного давления на морфологические изменения кожевой ткани в технологии получения мехового полуфабриката

УДК 675.6.06.014/533.9

С. Ю. Г рузкова, И. Х. Исрафилов, И. В. Красина

ВЛИЯНИЕ ПОТОКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОЖЕВОЙ ТКАНИ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХОВОГО ПОЛУФАБРИКАТА

Представлены результаты исследований структурных изменений ко-жевой ткани в результате применения обработки низкотемпературной плазмой пониженного давления в технологии получения полуфабриката из шкур меховой овчины.

Изделия из натурального меха во все времена пользовались повышенным спросом. В настоящее время, основной задачей мехового комплекса России по-прежнему остается улучшение эксплуатационных свойств меховых изделий, улучшение их внешнего вида, а также выпуск конкурентоспособной продукции. Одним из путей решения указанных задач является разработка и внедрение технологий, направленных на повышение производительности труда, улучшение качества мехового полуфабриката, снижение расхода химма-териалов и загрязненности сточных вод, а также расширение ассортимента продукции.

В меховой промышленности традиционные методы совершенствования технологий получения мехового полуфабриката, не позволяют достигнуть комплексного улучшения характеристик последнего, так как достижение улучшения заданных свойств сопровождается ухудшением других. Также, традиционные технологии, основанные на использовании химических веществ, ограничены, поскольку их применение не снимает проблему загрязнения окружающей среды.

Из многообразия методов модификации свойств мехового материала выделяются электрофизические, как наиболее перспективные и экологически чистые, среди которых на порядок выше стоит способ обработки потоком высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления, воздействие которого определяется технологическими параметрами плазмы, а также химической природой и строением обрабатываемого материала.

Целью работы являлось исследование влияния потока ВЧЕ-разряда пониженного давления на структурные изменения кожевой ткани меховой овчины в технологии получения мехового полуфабриката.

Выявление эффекта воздействия и общих закономерностей влияния плазменной обработки на кожевую ткань шкур меховой овчины проводили сравнением свойств опытных образцов, обработанных в потоке низкотемпературной плазмы, со свойствами контрольных - не подвергшихся плазменной обработке.

Первоначально обработку в ВЧЕ-разряде проводили перед каждым жидкостным процессом, однако это значительно усложняет технологию производства полуфабриката и приводит к его удорожанию. Наиболее рациональной явилась обработка опытных образцов в сырье, перед подготовительными процессами и перед дублением. При этом, уменьшение количества плазменных обработок не приводит к существенному снижению эффекта воздействия НТП.

В процессе исследование установлено, что плазменная обработка сырья в режиме: (5аргон= 0.04 - 0.08 г/с, Мр= 1.3 - 2.0 кВт, Р= 13.3 - 26.6Па, т= 3 - 7 мин. приводит к изменению свободной энергии поверхности пор и капилляров, как имевшихся, так и образованных в процессе обработки; уменьшению компактности переплетения структурных элементов дермы (разволокнению), что подтверждается снижением значения температуры сваривания на 3 оС и увеличением значения пористости в среднем на 7.0%.

Одним из основных процессов, определяющих качество последующих жидкостных операций в технологии производства полуфабриката, является отмока. Результаты анализа сырья после отмоки показали наибольшее содержание влаги в опытном образце по сравнению с контрольным (рис. 1).

Рис. 1 - Изменение значения степени обводнения кожевой ткани меховой овчины в процессе отмоки

Так как коллаген является полиэмфолитом, то при взаимодействии с кислотами величина равновесной обводненности становится меньше величины обводненности в чистой воде. Что подтверждается снижением значения степени обводнения у контрольного и опытного образцов после процесса пикелевания, по сравнению со значениями в отмоке. У опытного образца, после отмоки и пикелевания, значение пористости выше контрольного. Однако, процентное увеличение данного показателя может изменяться в широком диапазоне, вследствие того, что рассматриваемые жидкостные процессы сопровождаются лабильностью и разрушением большинства внутриструктурных связей.

Полученные результаты по изменению степени обводнения, пористости, а также уменьшение термоустойчивости кожевой ткани опытного образца, характеризуемой снижением температуры сваривания на 2 - 3 оС, свидетельствуют о более полном прохождении процессов отмоки и пикелевания и лучшей подготовке структуры кожевой ткани опытного образца к дублению.

Можно предположить, что применение плазменной обработки перед процессом дубления приводит к дополнительному образованию функциональных групп коллагена, вступающих в реакцию с хромовыми комплексами, что способствует наибольшему числу образования межмолекулярных мостиков, скрепляющих структурные элементы коллагена. Вышесказанное подтверждается повышением значения температуры сваривания в среднем на 4.7 оС, а также процентным увеличением содержания массовой доли минеральных веществ - 30.3 % и окиси хрома - 7.8 %, а также пористости - на 14.4 % относительно значений контрольного образца. Энергодисперсионные спектры элементного состава полуфабриката кожевой ткани свидетельствуют об увеличении содержания ионов хрома в опытном образце на 0.89 %. Фиксация дермы опытного образца в процессе дубления проходит более полно, по сравнению с контрольным образцом, что также подтверждается увеличением относительного значения предела прочности при растяжении на 7.6 %, по сравнению с контрольным. Это может быть связано с действием НТП, приводящей к конформацион-ным изменениям коллагеновых пучков и волокон, способствующих снятию стерических препятствий и соответственно более качественному структурированию кожевой ткани в процессе дубления.

Анализ спектральных диаграмм опытного образца показал наличие тех же полос поглощения, что и у контрольного. Следует отметить, что у опытного образца максимум полос поглощения смещается в сторону больших частот (от 3 до 77 см-1) и наблюдаются более сильные полосы поглощения (в зависимости от высоты полосы в максимуме поглощения), что можно объяснить не только усилением межмолекулярного взаимодействия, но и специфическим влиянием кристаллической фазы [1]. Однако, применение плазменной обработки в сырье и перед дублением не приводит к изменению химического состава коллагена опытного образца относительно контрольного.

На дифрактограмме [2] опытного образца (рис. 2 б) по сравнению с контрольным (рис. 2 а) появление четкого кристаллического рефлекса высокой интенсивности и максимума, соответствующего аморфному гало, свидетельствует об упорядоченности аморфной фазы, а уменьшение полуширины дифракционного максимума - о повышении степени кристалличности аморфной составляющей образца. Таким образом, применение плазменной обработки приводит к получению мехового полуфабриката с более упорядоченной структурой, за счет увеличения процентного отношения кристаллической фазы к аморфной.

Рис. 2 - Дифрактограммы кожевой ткани мехового полуфабриката меховой овчины: а) контрольный, б) опытный (проведение плазменной обработки сырья перед процессом отмоки и дублением в режиме: Саргон=0.04 г/с, Р=13.3 Па, Wp=1.3 кВт, т=5 мин

Вышесказанное подтверждается также результатами проведенных исследований с помощью электронной микроскопии (рис. 3 а, б). Микрофотографии состояния структуры дермы опытного образца свидетельствуют о том, что плазменная обработка перед дублением позволяет получить полуфабрикат с более однородной и упорядоченной структурой.

Рис. 3 - Микрофотографии ( х 500 ) поперечного среза полуфабриката меховой овчины: а) контрольный; б) опытный (проведение плазменной обработки сырья перед процессом отмоки и дублением в режиме: варГОН=0.04 г/с, Р=13.3 Па, Wp=1.3 кВт, т=5 мин

Далее, в зависимости от назначения полуфабриката меховой овчины, его обработку проводили в двух режимах (рис. 4). Для придания гидрофильных свойств, с целью создания оптимальных условий для проведения красильно-жировальных процессов, полуфабрикат обрабатывали в первом режиме. В случае, когда полуфабрикат выпускается в натуральном виде, а также после крашения для более полного структурирования и повышения гидрофобных свойств рекомендуется проведение плазменной обработки во втором режиме. Косвенным подтверждением верно выбранных плазменных режимов обработки, определяющиеся входными параметрами ВЧ установки, являются значения двухчасовой намо-каемости кожевой ткани полуфабриката.

Исследование изменения структуры кожевой ткани полуфабриката после обработки НТП, в режиме увеличивающим и уменьшающим намокаемость, проводили методом рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии.

Из дифракционных кривых представленных на рис. 5 следует, что обработка полуфабриката в режиме, способствующего наименьшей намокаемости, увеличивает упорядоченность структуры за счет окристаллизованности аморфной фазы.

Микрофотографии полуфабриката поперечного среза кожевой ткани (рис. 6) свидетельствуют о том, что морфологические изменения сопровождаются увеличением структурной однородности дермы. При этом в режиме увеличивающим намокаемость, наблюдается некоторое разрыхление структуры в результате увеличения межпучкового расстояния.

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

Л*р,»:Вт

—♦—Овчина, Змин. —•—Овчина. 5 мин - - - Контрольный

Рис. 4 - Изменение двухчасовой намокаемости кожевой ткани полуфабриката меховой овчины от мощности разряда: 1 - й режим: (варГОН=0.04 г/с, Р=13.3 Па, Wp=1.3 кВт, т=5 мин), увеличивающий намокаемость; 2 - й режим: (варГОН=0.04 г/с, Р=13.3 Па, Wp=1.8 кВт, т=5 мин), способствующий наименьшей намокаемости. Значение двухчасовой намокаемости контрольного образца - 153 %

Рис. 5 - Дифракционные кривые образцов кожевой ткани полуфабриката обработанного в потоке низкотемпературной плазмы: а) режим: варГОН=0.04 г/с, Р=13.3 Па, Wp=1.8 кВт, т=5 мин, способствующий наименьшей намокаемости кожевой ткани; б) режим: варГОН=0.04 г/с, Р=13.3 Па, Wp=1.3 кВт, т=3 мин увеличивающий намокаемость

В режиме, обеспечивающим наименьшую намокаемость, структура кожевой ткани более компактна, за счет плотного прилегания коллагеновых пучков друг к другу.

Рис. 6 - Микрофотографии ( х 500 ) поперечного среза полуфабриката меховой овчины после плазменной обработки а) режим (Єаргон=0.04 г/с, Р=13.3 Па, Wp=1.3 кВт, т=3 мин) способствующий наименьшей намокаемости кожевой ткани б) режим (ЄарГОН=0.04 г/с, Р=13.3 Па, ^=1.8 кВт, т=5 мин) повышающий намокаемость кожевой ткани

Экспериментальная часть

Исследования структурных изменений кожевой ткани в технологии получения мехового полуфабриката с применением плазменной обработки проводили с использованием шкур меховой овчины. Обработку опытных образцов в потоке НТП пониженного давления проводили на экспериментальной ВЧ-плазменной установке [3].

Оценка закономерностей воздействия НТП на свойства сырья и полуфабриката кожевой ткани меховой овчины включала применение методов определения степени обводнения, температуры сваривания, пористости, а также прочностных характеристик в соответствии с существующей нормативно-технической документацией. Определение морфологических изменений кожевой ткани полуфабриката меховой овчины проводили с использованием следующих методов: ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, электронной спектроскопии. Совокупность выбранных методов позволила установить основные физико-химические изменения в дерме шкуры и определить влияние входных параметров высокочастотной плазменной установки на величину этих изменений.

Литература:

1. Казицина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ -, ИК -, ЯМР - и масс - спектроскопии в органической химии. М.: Изд-во Московского университета, 1979. - 240с.

2. Жихарев А.П., Петропавловский Д.Г., Кузин С.К., Мишаков В.Ю. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений. М.: Изд-ский центр «Академия», 2004. - 448с.

3. Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Кашапов Н.Ф. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения. Казань.: Изд-во КГУ, 2003. - 348с.

© И. Х. Исрафилов - д-р техн. наук, зав. каф. высоко-энергетической и пищевой инженерии Камской государственной инженерно-экономической академии; И. В. Красина - канд. техн. наук, докторант каф. технологии кожи и меха КГТУ; С. Ю. Грузкова - асп. кафедры технологии кожи и меха КГТУ.