Теоретическое исследование пористости натуральных шерстяных волокон с применением компьютерного моделирования в среде Matlab (Octave)

УДК 637.623: 004.9

А. И. Нагмутдинова, Д. Д. Саматова, Э. Ф. Вознесенский, И. В. Красина

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРИСТОСТИ НАТУРАЛЬНЫХ ШЕРСТЯНЫХ ВОЛОКОН С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В СРЕДЕ MATLAB

Ключевые слова: компьютерное моделирование, шерсть, волокно, Matlab(Octave), порометрия.

В статье рассмотрены перспективы применения компьютерного моделирования натуральных шерстяных волокон в среде Matlab (Octave) для изучения внутренних пор структуры, в частности, рассчитаны средний размер, удельная поверхность внутренних пор, распределение пор по размерам. На основе пространственной геометрической модели сделаны заключения о пористости волокна и показана возможность применения компьютерного моделирования для прогнозирования свойств натуральных шерстяных волокон.

Keywords: Computer Modelling, wool, fiber, Matlab (Octave), porosimetry.

Application prospects of using Computer Modelling of natural wool fibers in the programming environment of Matlab (Octave) for investigation the internal pores in structure, particularly, middle pores size and surface area of the internal pores, pore size distribution were considered in the article. Conclusion about fiber's porosity were made based on dimensional geometric model and showed possibility of using Computer Modelling for predict the properties of natural wool fibers.

Морфологическая и химическая структура шерсти чрезвычайно сложна. Волокна шерсти неоднородны, но в своей основе (примерно на 90%) состоят из внедренных в кожный покров веретенообразных клеток коркового слоя - кортекса, под которыми иногда расположен третий слой - сердцевинный, у более грубых волокон. Наружный слой представляет собой чешуйчатую структуру кутикулы [1, 2].

Корковый слой обусловливает главные физико-технические свойства шерсти. Корковый слой состоит из двух взаимно соприкасающихся полуцилиндров -паракортекса и ортокортекса, отличающихся разным строением и различной степенью восприимчивости к влаге и химическим воздействиям.

Корковый слой состоит из длинных многогранных клеток, а они - из макрофибрилл, соединенных между собой массой, богатой цистином. В отличие от чешуек клетки коркового слоя имеют вид не тонких пластинок, а веретенообразных, заостренных с обоих концов роговидных образований [3].

К эксплуатационным свойствам шерстяных изделий предъявляются обязательные требования, регламентируемые ГОСТ 28000-2004 [4]. Так, следует отметить такие важные свойства как прочность, износостойкость, устойчивость к био- и химическим воздействиям, газо-, паро-, влагопрони-цаемость, капиллярность, пористость.

Свойства изделий и волокон определяются их строением, внутренней структурой, молекулярными цепями полимеров, многообразием нано- и микроструктур, поверхностными и объемными характеристиками материала в целом [5].

Одним из важнейших свойств материала является внутренняя поверхность (пористость) материала, отвечающая за диффузионную проницаемость и сорбционную способность [6]. Так, например, в процессах крашении большую роль играют адсорбционные явления: первоначально происходит адсорбция красителя, что при наличии хорошо развитой пористой структуры происходит интенсивнее.

За процессом адсорбции следует химическая реакция в адсорбционном слое [7].

Для дальнейшей обработки волокон и производства текстильных изделий требуется знание показателей вышеупомянутых свойств шерстяных волокон. В частности пористость волокон может измеряться капиллярной конденсации азота, методом ртутной проникающей порозиметрии. Так, при методе капиллярной конденсации азота данные поверхности веществ вычисляются при помощи классических моделей, таких как БЭТ, метод Ленгмюра при обработке данных адсорбции газа образцом [8]. Однако, следует отметить, что порометрия БЭТ обладает рядом объективных недостатков, в частности, малоинформативностью при измерении мезо-пор и неприменимостью для измерения макропористого компонента.

Метод ртутной порометрии основан на дилатометрическом измерении объёма ртути, вдавленной в поры материала при изменении давления [9]. Заметим, что достаточно неясным остается вопрос об установлении степени устойчивости пористой структуры тела при воздействии на него высокого гидравлического давления [10].

Одним из возможных методов измерения характеристик образцов шерстяных волокон, в том числе и пористости, может служить компьютерное моделирование, представляющее собой замену реального объекта адекватной, то есть соответствующей экспериментальным данным, моделью. Модель должна обладать свойствами реального объекта, которые требуется исследовать, причем возможны определенные допущения, позволяющие упростить модель по сравнению с реальным объектом.

Компьютерное моделирование отличается универсальностью применимости, отсутствием специфического оборудования и достаточной степенью объективности [11].

В представленной работе для анализа внутренней пористости волокон шерсти предлагается при-

менить метод построения интерактивнои геометрической компьютерной модели шерстяного волокна.

В качестве объектов исследований были использованы образцы овечьей шерсти (пух): шерсть овечья немытая грубая классированная состриженная с овец русской породы, образец кусковой (незагрязненные куски шерсти массой менее 100 гр согласно ГОСТ 7939-79). Исходными данными для построения геометрической модели служили результаты оптической и электронной микроскопии волокон шерсти.

Программным обеспечением для компьютерного моделирования и проектирования являлись распространенная интерактивная среда MATLAB и ее аналог Octave [13].

В работе [14] описано получение объемной модели микроструктуры шерстяного волокна средствами Matlab/Octave. Так как основные геометрические формы описываются известными функциями с применением эмпирических коэффициентов, полученная модель обладает достаточной интерактивностью и может быть адаптирована для описания разнообразных видов шерсти. На основе данной модели предлагается провести расчет пористости, внутренней поверхности и размера пор модели с применением понижающих коэффициентов для учета межклеточного матрикса.

Ожидаемые размеры пор, а также локализацию пор и внутреннюю удельную поверхность оценивали на основе пространственной геометрической модели волоса. Была рассмотрена структура кортекса. В качестве объекта использовался фрагмент модели волоса диаметром 40 мкм и длиной 70 мкм. Структура кортекса представляла собой квадратную укладку веретенообразных фигур, описываемых параболоидами вращения. Поры кортекса оценивались по межклеточным пространствам и внутриклеточным порам веретенообразной формы. В среде Matlab(Octave) разработан алгоритм, позволяющий провести объемное томографическое сканирование структуры модели с регулируемой точностью (первоначально точность выбрана в 1 мкм2). Этапы отладки алгоритма состояли из сканирования поверхности одной клетки, сканирование поверхности набора клеток одного ряда, сканирование поверхности набора клеток несколько рядов и сканирование поверхности всего ряда кортекса на выбранном отрезке волокна. Трехмерное сканирование позволило оценить размеры и наличие пор в структуре кортекса.

Так были рассчитаны размеры пор в слоях клеток без межслойного пересечения, внутриклеточные поры и распределение размеров пор кортекса, гистограммы которых приведены на рисунках 1, 2 и 3 соответственно.

Согласно интегральной кривой пор, графику зависимости удельной поверхности и проведенными расчетам пористая структура кортекса волоса образована совокупностью микро-, мезо- и макропорами во внутри- и межклеточном пространстве. Внутриклеточные поры паракортекса образованы преимущественно мезо- и макропорами с размерами 0,1-3,7 мкм, при этом преобладают поры размерами 0,11,5 мкм. внутриклеточная пористая структура пред-

ставлена преимущественно микроразмером от 0 до 1 мкм.

и мезопорами

Рис. 1 - Распределение размеров межклеточных пор в слоях клеток кортекса без учета межслой-ного пересечения

Размер пор, мкм

Рис. 2 - Распределение внутриклеточных пор кортекса по размерам

Исходя из расчетов пористой структуры, построена интегральная кривая пор, где учитывались размеры пор и объем всей структуры, изображенная на рисунке 4. На рисунке 5 изображен график зависимости удельной поверхности от размера пор.

Рис. 3 - Распределение пор кортекса по размерам

Следует отметить, что в экспериментальных исследованиях других авторов, например, на основе метода БЭТ [78,79], преобладает микропористый компонент с размерами пор до 20 нм. Следовательно, полученную модель требуется адаптировать к результатам экспериментальных исследований с применением поправочных коэффициентов, в частности, коэффициентом заполнения межклеточных пор межклеточным цементом. Кроме того поромет-рия БЭТ обладает рядом объективных недостатков,

в частности, малоинформативностью при измерении мезопор и неприменимость для измерения макропористого компонента.

Рис. 4 - Интегральная кривая пор кортекса

°0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Размер лор, мим

Рис. 5 - Зависимость удельной внутренней поверхности от размеров пор

Таким образом, разработанная модель позволяет оценить широкий диапазон размеров пор, в том числе, частично закрытых. Модель легко адаптируется под различные шерстяные волокна за счет возможности применения эмпирических коэффициентов и доступности программного обеспечения. На основе данной модели возможен прогноз пористости, объема пор, удельной внутренней поверхности на основе справочных данных и результатов микроскопии и поперечных срезов волокон.

Литература

1. Теддер, Дж., Промышленная органическая химия / Дж. Теддер, А. Нехваталл, А. Джубб; Перевод с англ. Г.Я. Легина. Под ред. О.В.Корсунского. - М.: Мир, 1977. - 704 с.

2. Mohammad Shahid Dyeing, fastness and antimicrobial properties of woolen yarns dyed with gallnut (Quercus in-

fectoria Oliv.) / Mohammad Shahid, Aijaz Ahmad, Mohd Yusuf, Mohd Ibrahim Khan, Shafat Ahmad Khan, Nikhat Manzoor, Faqeer Mohammad // extract, Dyes and Pigments . - 2012. -N. 95. - р. 53-61.

3. Гистологическое строение шерстного волокна [Электронный ресурс]: агропромышленный портал России -Электрон. дан. - М., 2012. - Режим доступа: http://agro-portal24.ru/ovcevodstvo-i-kozovodstvo/3135-gistologicheskoe-stroenie-sherstnogo-volokna-chast-2.html , свободный.

4. ГОСТ 28000-2004. Ткани одежные чистошерстяные, шерстяные и полушерстяные. Общие технические условия. - Взамен ГОСТ 28000-88; введ. 2007-01-01. - М.: Стандартинформ, 2008. - 15 с.

5. Вознесенский, Э. Ф. Теоретические основы модификации структуры материалов кожевенно-меховой промышленности в плазме высокочастотного разряда пониженного давления: автореф. дис. докт. техн. наук / Э.Ф. Вознесенский. - Казань, 2011. - 36 с.

6. Никольская, С.А., Химическое строение и свойства текстильных волокон: методич. указ. для студентов тех-нол. спец. / С.А. Никольская, О.Г. Циркина; научн. ред. Гарцева Л.А. - Иваново: Ивановская гос. текст. Академ., 2003. - 24 с.

7. Киреев, В.А. Курс физической химии / В.А. Киреев; 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1975. - 776 с.

8. Вячеславов, A.C., Измерение площади поверхности и пористости методом капиллярной конденсации азота / A.C. Вячеславов, E.A. Померанцева // Методическая разработка. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2006. - 55 с.

9. Зуборев, А.И., Принципы, методы и средства испытаний полимерных волокнистых фильтров для очистки газовых сред / А.И. Зуборев, А.Г. Кравцов // Технологии техносферной безопасности. - 2014. - № 1 (53). - С. 175-186.

10. Нечаева, О.В., Цилипоткина, М.В., Тагер, А.А. Уральский государственный университет им. А.М. Горького, Свердловск // Труды четвертой всезоюзной конференции по теоретическим вопросам адсорбции. - Москва: Наука, 1976. - С. 224.

11. Замятина, О.М. Компьютерное моделирование: уч. пос. / О.М. Замятина. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. -121 с.

12. ГОСТ 7939-79 Шерсть овечья немытая грубая класси-рованная. Технические условия. - Взамен ГОСТ 793956; введ. 1981-01-01. М.: Издательство стандартов, 1982. - 10 с.

13. GNU Octave Manual Version 3 / J.W.Eaton, D.Bateman, S.Hauberg. - Network Theory Limited, 2008. - 568 p.

14. Вознесенский, Э.Ф. Пространственная геометрическая модель микроструктуры шерстяного волокна / Э.Ф. Вознесенский, Л.Р. Джанбекова, И.Ш. Абдуллин, И.В. Красина, К.Э. Разумеев // Швейная промышленность. - 2011. - № 5. - с. 16-17.

© А. И. Нагмутдинова, магистрант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, Anastasiya.Nagm@yandex.ru; Д. Д. Саматова, студ. каф. технологии химических и натуральных волокон и изделий КНИТУ, dina0812@yandex.ru; Э. Ф. Вознесенский, д.т.н., проф. той же кафедры, howrip@mail.ru; И. В. Красина, д.т.н., зав. каф. технологии химических и натуральных волокон и изделий КНИТУ, irina_krasina@mail.ru.

© A. I. Nagmutdinova, Graduate Student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, singarella@mail.ru; D. D. Smatova, Student « Technologies of Chemical and Natural Fibres and Product» Department, KNRTU, dina0812@yandex.ru; E. F. Voznesensky, Doctor of Technical Sciences, Professor of the same Department, ho-wrip@mail.ru; I. V. Krasina, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of. « Technologies of Chemical and Natural Fibres and Product » Department, KNRTU, irina_krasina@mail.ru.