Исследование влияния низкотемпературной плазмы (НТП) пониженного давления на волосяной покров и кожевую ткань шкур северного оленя

И. Ш. Абдуллин, В. П. Тихонова, И. В. Красина,

А. В. Островская, С. Ю. Г рузкова, Ф. С Шарифуллин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ (НТП) ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА ВОЛОСЯНОЙ ПОКРОВ И КОЖЕВУЮ ТКАНЬ ШКУР СЕВЕРНОГО ОЛЕНЯ

Предложен принципиально новый метод выделки шкур северного оленя с применением высокочастотного емкостного разряда и полимеров. Определены оптимальные параметры плазменной обработки и исследованы изменения свойств кожевой ткани и волосяного покрова. Благодаря обработке шкур северного оленя высокочастотным емкостным разрядом и применению полимеров возникает возможность создания материалов с новыми свойствами.

С учетом климатических условий нашей страны изделия из меха среди основных видов зимней одежды по своим теплозащитным свойствам, практичности и долговечности наиболее предпочтительны и пользуются постоянным спросом.

Для повышения конкурентоспособности меховых изделий актуальна задача создания новых видов меха, улучшение его качества, а также расширение ассортимента.

В практике мехового производства среди прочих видов сырья находят применение шкуры северного оленя. Однако волосяной покров этих животных очень непрочный и ломкий вследствие особенности строения кроющих волос. Поэтому целью работы являлось:

1) исследование изменения свойств кожевой ткани и волосяного покрова шкур оленя, обработанных в потоке высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления;

2) интенсификация жидкостных процессов и получение меха с необходимыми свойствами по всей площади.

Объектом исследования служили образцы шкур северного оленя пресно-сухого способа консервирования и полуфабрикаты, прошедшие следующие стадии процесса выделки: отмоку, пикелевание, дубление и жирование.

Эпидермис шкур северных оленей сравнительно тонок и состоит из двух-четырех пластов клеток росткового слоя и рыхлого рогового слоя. Лишь в период линьки толщина эпидермиса немного увеличивается. В местах выхода волоса из дермы поверхность кожного покрова углубляется, образуя широкие воронки.

Дерма шкур северных оленей, как и шкур других животных, резко распадается на сосочковый и сетчатый слои. Толщина сосочкового слоя несколько больше толщины сетчатого вследствие глубокого проникновения в дерму корней волос [1].

В сосочковом слое дермы пучки коллагеновых волокон сравнительно тонкие и имеют беспорядочное переплетение. В этом слое встречаются множество клеточных элементов и хорошо развитые эластиновые волокна. Шерстный покров взрослых северных оленей состоит из толстых, грубых и ломких остевых волос и тонкого нежного пуха.

Волосы в шкуре оленя расположены обычно пучками, состоящими из одного остевого и трех-четырех пуховых волос [2].

Сальные железы пуховых волос лежат почти под самым эпидермисом (а остевых волос - несколько глубже) и имеют вид вытянутых мешочков, расположенных попарно или поодиночке. Потовые железы на основных частях шкуры, как правило, отсутствуют. Хорошо развиты мышцы, поднимающие волосы. Сосочковый слой пронизан густой сетью кровеносных сосудов и капилляров.

Сетчатый слой характеризуется более плотным переплетением слегка перекрещивающихся между собой сравнительно толстых пучков коллагеновых волокон, идущих преимущество вдоль оси тела и параллельно плоскости шкуры. Клеточных элементов в этом слое шкур встречается мало [3].

Значительная толщина сосочкового слоя, наличие в нем большого числа крупных волосяных мешочков и сальных желез, слабое развитие лицевого слоя, рыхлость сетчатого слоя и преимущественно горизонтальное расположение пучков волокон обусловливают большую пористость и большую растяжимость кожевой ткани меха, выработанной из шкур северных оленей [4].

Традиционные методы модификации свойств натурального мехового материала позволяют улучшать эксплуатационные и потребительские свойства, а также внешний вид изделий из меха за счет варьирования технологических параметров процесса. Однако эффективность этих методов невысока.

Одним из перспективных направлений совершенствования мехового производства является применение электрофизических методов как наиболее эффективных и экономичных, позволяющих целенаправленно регулировать заданные свойства и исключать, по возможности, применение ядовитых и токсичных веществ. Кроме того, плазменная обработка относится к сухим, экологически чистым процессам, не приводящим к изменению химических свойств обрабатываемой поверхности.

Используемая в данной работе ВЧ - плазменная установка (рис. 1) состоит из стандартных блоков и элементов и снабжена диагностической аппаратурой, позволяющей определять и контролировать параметры ВЧ-разряда пониженного давления, которые влияют на величину эффекта плазменного воздействия.

Высокочастотный генератор, используемый в экспериментальных исследованиях, настроен на емкостную нагрузку.

Вакуумная камера (4) создана на базе промышленной установки, предназначенной для нанесения тонких слоев металлов и диэлектриков в вакууме.

Механическая система откачки (5) состоит из насоса типа АВР - 50 со скоростью

3

откачки 50 дм /с, который поддерживает необходимое рабочее давление в вакуумной камере. Давление в вакуумной камере регулируется расходом плазмообразующего газа и положением заслонок вакуумных вентилей.

В качестве плазмообразующего газа в экспериментах использовался аргон.

Из результатов исследований, приведенных в [5], при установлении закономерностей изменения качества поверхности натурального меха в зависимости от режимов ВЧ-плазменной обработки при пониженном давлении определены следующие оптимальные значения входных параметров установки: расход плазмообразующего газа 0=0.04 г/с, рабочее давление газа Р=26.6 Па, продолжительность обработки 1=3 мин. Мощность разряда изменялась от 1.08 до 2.08 кВт. Представленные режимы обработки образцов шкур северного оленя приведены в табл. 1.

Рис. 1 - ВЧ-плазменная установка: 1 - ВЧ- генератор; 2 - система водоснабжения;

3 - электроды; 4 - вакуумная камера; 5 - система откачки; 6 - базовая плита вакуумной камеры; 7 - диагностическое оборудование; 8 - система питания

плазмотрона рабочим газом; 9 - система электроснабжения

В связи с тем что волос имеет специфическое строение, т.е. почти полное отсутствие коркового слоя (сердце-вина составляет 98%), поэтому он обладает повышенной хрупкостью и слабой связью с дермой. Поэтому с целью повышения пластичности волоса и укрепления его с дермой процесс отмоки проводили с применением

полимеров: акриловой

эмульсии М-1 и полиакрелатного латекса в количестве 1г/дм3. Параллельно шел процесс отмоки по типовой технологии без полимеров.

С целью определения влияния ВЧЕ-разряда на кожевую ткань и волосяной покров шкур северного оленя на стадии выделки проводили следующие анализы. В результате органолептического контроля волосяного покрова образцов шкур северного оленя, прошедших отмоку в присутствии полимеров акриловой эмульсии М-1 и полиакрелатного латекса, было выявлено, что волос, обработанный полимерами, пластичный и менее ломкий, чем волосяной покров контрольного образца. Исследование структуры чешуйчатого слоя волоса под микроскопом ”Биолам С-11” показало, что чешуйки

Таблица 1 - Режимы обработки образцов шкур северных оленей

Образцы Параметры режима

О , г/с Р, Па 1, сек W, кВт

1 0.04 26.6 180 1.08

2 0.04 26.6 180 1.30

3 0.04 26.6 180 1.60

4 0.04 26.6 180 1.80

5 0.04 26.6 180 2.08

кутикулы волоса опытных образцов “раскрылись“, у контрольного же образца этого не наблюдалось. Таким образом, обработка сырья в ВЧЕ-разряде перед процессом отмоки способствует «раскрытию» чешуек и ускорению диффузии полимера внутрь волоса.

В соответствии с ГОСТ 13104-77 содержание влаги в кожевенном и меховом сырье определяли методом высушивания пробы при постоянной температуре. Из табл. 2 видно, что наилучшие результаты получены у 4-го образца, обработанного в режиме при Рр =1.8 кВт. Следовательно, режим 0=0.04 г/с, Р=26.6 Па, 1=180 с, Рр=1.8 кВт является оптимальным для обработки шкур северных оленей перед жидкостными процессами.

Таблица 2 - Содержание влаги в образцах шкур северного оленя после процесса отмоки

Образцы Контрольный 1 2 3 4 5

Степень обводненности, % 66.03 68.94 68.31 67.36 72.08 70.39

На рис. 2 представлены кривые зависимости степени обводненности Э от продолжительности обработки НТП.

59 -\--------- 11------------2----------3----------4----------5 \,ч

—%г- К онтрольный  Пр именение акрил об ой эмуль сии М -1 и В Ч - о б раб отки —В— Пр именение акрил об ой эмуль сии М -1 ♦ Пр именение п олиакр елат но го лат екса и В Ч -о браб отки —^—Применение полиакрелат но го латекса

Рис. 2 - Влияние времени обработки НТП на степень обводненности шкуры северного оленя в процессе отмоки

Анализируя результаты, представленные на рис. 2, можно отметить, что не только НТП, но и сами полимеры оказывают различное влияние на обводненность шкур северного оленя. Так, акриловая эмульсия М-1 повышает содержание влаги на 3%, а полиакрелатный латекс снижает на 7% по сравнению с типовым образцом, но все показатели соответствуют нормам ГОСТа.

Для разрыхления кожевой ткани шкурок северных оленей после отмоки проводился процесс предпикелевания продолжительностью 10 часов, а за ним следовал процесс пикелевания. В ходе процесса пикелевания контролировали показатель pH рабочего раствора (рис.3).

Рис. 3 - Зависимость рН раствора от продолжительности пикелевания

Начальный показатель pH колеблется в пределе 3.3 - 3.4, что является нормой.

Из графиков, представленных на рис. 3, видно, что показатель pH пикельного раствора у опытных образцов, за исключением контрольного образца, изменяется скачкообразно.

Известно, что коллаген и кератин шкурки, являющиеся основными белками кожевой ткани и волосяного покрова, взаимодействуют с кислотами. При взаимодействии с кислотами реагируют главным образом свободные аминогруппы в боковых цепях белков, при этом образуются соединения типа солей:

ЫН3+ ЫНз+А"

R

+ H+A-

R

ООО"

COOH

Полное насыщение кислотой аминогрупп будет характеризовать окончание химической реакции солеобразования и наступление равновесия, определяемого по изменению содержания кислоты в растворе.

На рис. 3 кривая 2 (контрольный образец) соответствует вышеизложенной теории, т.е. происходит плавное поглощение органической кислоты дермой и волосяным покровом шкурки оленя с постепенной стабилизацией раствора и получением необходимого показателя pH дермы. Скачкообразный характер кривых 1 и 3 зависит от применения полимеров в процессе отмоки опытных образцов и обработки их плазмой пониженного давления.

Из ранее проведенных исследований [6] известно, что обработка кожевой ткани НТП способствует повышению пористости дермы и усреднению размеров пор, что и

повлияло на быстрое поглощение кислоты в первый час пикелевания. В течение второго часа процесса пикелевания, судя по характеру кривых, наблюдается некоторое снижение показателя pH раствора из-за частичного выхода кислоты из структуры дермы под влиянием введенных в нее полимеров, хотя изменение показателя pH очень незначительно (от 3.40 до 3.47) и не снижается в этой точке ниже контрольного показателя pH. Вторичный скачок показателя pH, аналогичный первому на кривых 1 и 3, способствует дополнительному диспергированию межволоконных белков, интенсивному вымыванию их из кожевой ткани и ее обезвоживанию. При этом прочность связи волоса с дермой повышается.

Автором работ [7] установлено, что эффект воздействия плазмы на структуру дермы с целью придания ей тех или иных свойств постепенно исчезает. Это происходит в течение 3 - 4-х суток. Поэтому с целью возобновления действия плазмы на волосяной покров и дерму оленьих шкур провели повторную обработку опытных образцов НТП после процесса пикелевания в оптимальном режиме: расход газа 0=0.04 г/с, давление Р=26.6Па, время обработки 1=180 с, мощность РР =1.8 кВт.

После обработки НТП проводили процесс дубления. В состав дубильного раствора наряду с типовыми веществами добавляли описанные ранее полимеры в количестве 1 г/дм3. В процессе дубления полимеры заполняли пористую структуру дермы в сосочковом слое, укрепляя связь волоса с дермой, и полое пространство внутри волоса, придавая ему упругость, т.е. они играли роль наполнителей. В ходе процесса дубления определяли термостойкость кожевой ткани (рис. 4). Как видно из рис. 4, опытные образцы достигают необходимой температуры сваривания за меньший промежуток времени, чем контрольный

образец.

Это говорит о том, что обработка НТП и полимерами дает

возможность сократить процесс дубления в 1.5 раза по сравнению с типовой методикой. Наилучшие результаты получены у образца, обработанного НТП и полиакрелатным латексом. У этого образца необходимая температура сваривания достигается уже за 6.5 - 7 часов, в то время как у контрольного образца -за 10-12 часов. Вторые результаты у образца, обработанного НТП и акриловой эмульсией М-1. Температура сваривания достигается примерно за 8 часов.

После процесса дубления волосяной покров опытных образцов и контрольного исследовали под микроскопом. В результате было выявлено, что волос контрольного образца имеет характерные крупные чешуйки, плотно прижатые друг другу, у образцов же, обработанных НТП и полимерами, чешуйки более мелкие и волос кажется более

Рис. 4 - Зависимость температуры сваривания от времени дубления

гладким. Можно сделать вывод, что полимер, действуя как наполнитель, проникает внутрь

волоса и заполняет все полое пространство внутри его, поэтому поверхность волоса

кажется более гладкой по сравнению с поверхностью контрольного образца.

Выводы

1. Оптимальными параметрами плазменной обработки в жидкостных процессах выделки оленьих шкур являются следующие показатели: плазмообразующий газ - аргон; расход газа 0=0.04 г/с; давление Р=26.6 Па; время обработки 1=180 с; мощность РР =1.8 кВт.

2. Установлено, что обработка ВЧЕ-разрядом пониженного давления шкур северного оленя сокращает продолжительность отмоки почти в 2 раза по сравнению с типовой методикой, а также облегчает операцию стрижки волосяного покрова вследствие придания волосу упругости, за счет чего он приподнимается.

3. Выявлено, что применение полимеров в процессе отмоки также способствует устранению хрупкости волосяного покрова и придания ему пластичности.

4. Установлено, что применение акриловой эмульсии М-1 в процессе отмоки способствует увеличению обводненности шкур на 3%, температура сваривания полуфабриката с использованием полиакрелатного латекса в процессе дубления достигла 85 0С, а с акриловой эмульсией - 84 0С через 8 часов по сравнению с контрольным образцом, имеющим за это время температуру сваривания 78 0С.

5. Благодаря обработке шкур северного оленя ВЧЕ-разрядом пониженного давления и применению полимеров происходит сокращение производственного цикла выделки, что, в свою очередь, приводит к снижению себестоимости продукции.

Литература

1. Шкутов Ю. Г., Костылев А. Ф. Гистология и микробиология кожевенного сырья. М.: Легкая индустрия, 1980. 152 с.

2. Аронина Ю. Н., Ефремова П. Я. Технология меха: (Специальные главы). М.: Гизлегпром, 1963. 112 с.

3. Островская А. В, Светлаков Н. В. / Подготовительные процессы в производстве кожи и меха: КГТУ. Казань, 1996. 104 с.

4. Белякова В. И., Зуева В. Г., Курлатова Л. Н. /Технология меха и шубной овчины. М.: Легкая и пищевая пром-ть, 1984. 247 с.

5. Абуталипова Л.Н. Физические основы взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с капиллярно-пористыми полимерными материалами легкой промышленности. Казань. 1997. 168 с.

6. 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, 2000. 348 с.

7. Красина И.В. Регулирование характеристик свойств натуральных высокомолекулярных соединений с помощью ВЧ-плазменной модификации: Дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2001. 225 с.

© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии кожи и меха; В. П. Тихонова -канд. техн. наук, доц. той же кафедры; И. В. Красина - канд. техн. наук, докторант той же кафедры; А. В. Островская - канд. хим. наук, доц. той же кафедры; С. Ю. Грузкова - асп. той же кафедры; Ф. С Шарифуллин - асп. той же кафедры.