Структурные изменения кожевенных материалов под воздействием высокочастотной плазмы пониженного давления

Э. Ф. Вознесенский, А. Ф. Дресвянников, И. В. Красина,

Г. Н. Кулевцов

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОЖЕВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Исследовано влияние обработки в высокочастотной плазме пониженного давления на структуру кожевенного полуфабриката до и после проведения стадии крашения- жирования. Установлены зависимости между режимами обработки и структурными изменениями.

Обработка материалов различного назначения в разряде высокочастотной плазмы позволяет добиваться разнообразных технологических эффектов [1]. Высокочастотный разряд пониженного давления горит при невысоких температурах, не превышающих пределов термической деструкции натуральных высокомолекулярных материалов. Модификация при обработке осуществляется за счет энергии заряженных частиц плазмы, поступающих на поверхность. Происходит изменение микроструктуры, перераспределение пор в объеме материала. При этом не оказывается существенного химического воздействия. Исследовано влияние плазменной обработки на структуру дубленого кожевенного полуфабриката - вет-блю до и после проведения стадии красильно-жировальных процессов.

Зафиксированы изменения структурных свойств полуфабриката вет- блю после плазменной обработки. Так, например у образца, обработанного при мощности разряда Wp=1,2 кВт, давлении 13,3 Па, расходе плазмообразующего газа- аргона 0,04 г-с"1 и времени воздействия- 5 минут температура сваривания уменьшается на 70С, а значения двухчасовой намокаемости увеличивается на 6%, при мощности разряда Wp =1,8 кВт температура сваривания увеличивается на 30С, намокаемость уменьшается на 1%. Режимом обеспечивающим наиболее гидрофильные свойства по сумме двух показателей: понижению температуры сваривания и повышению намокаемости, выбран режим обработки при мощности разряда Wp1 =1,2 кВт, а наиболее гидрофобные- при мощности Wp2 =1,8 кВт.

Влияние плазменной обработки на структуру дермы в режиме, повышающем гид-рофильность, оценивалось с помощью электронной сканирующей микроскопии. На рис. 1 представлены микрофотографии некрашенной кожи при разном увеличении, контрольно-ого образца (рис. 1 а-в) и обработанного в гидрофильном режиме (рис. 1 г-е).

Пучки коллагеновых волокон (рис. 1 а, б) контрольного образца имеют компактное и хаотичное переплетение с небольшими межпучковыми расстояниями. Структура пучков плотная и бугристая (рис. 1 в). Плазменная обработка в гидрофильном режиме приводит к уменьшению компактности переплетения элементов дермы (рис. 1 г, д), существенно увеличиваются межпучковые расстояния, четко прослеживается характер переплетения коллагеновых пучков.Разделяется и волокнистая структура внутри пучков (рис. 1 е). Плазменная обработка в гидрофильном режиме приводит к морфологическим изменениям структуры кожи и увеличению пористости.

Структура полуфабриката после крашения и жирования представлена на микрофотографиях (рис. 2).

Рис. 1 - Микрофотографии поперечного среза кожевенного полуфабриката хромового дубления: контрольного образца

Срез необработанного плазмой образца (рис. 2 а, б) имеет однородную поверхность, четко видны переплетения пучков волокон, увеличился средний угол наклона структурных элементов. Это связано с наполнением дермы жирующим материалом, увеличением ее

Рис. 2 - Микрофотографии поперечного среза кожи после проведения жидкостных процессов отделки: контрольный образец

толщины. Разделенная после плазменной обработки структура дермы еще больше разделяется в готовом полуфабрикате (рис. 2 г, д). Существенно возрастают межпучковые расстояния. Этим объясняется улучшение эластичных свойств кожи после обработки. Однако

после более интенсивного жирования межволоконные пространства полнее заняты жирующим материалом (рис. 2 е). С этим связано уменьшение пористости гидрофильного образца относительно контрольного после жирования.

Дубленый полуфабрикат, как и шкура животного является сложным биологическим объектом, сохраняя основные свойства после химического структурирования в процессе переработки. Структура дермы представляет собой многоуровневую систему. Она образована переплетением коллагеновых пучков, состоящих в свою очередь из переплетения волокон. Эти два уровня определяют пористость кожи. Следовательно можно говорить и о двух уровнях пористости, макропористости и микропористости, которые ограничены объемом. Объем кожи является трудноизменяемой величиной, так как он изначально биологически обусловлен. При обработке в плазме происходит разделение структуры на двух уровнях. Разволокнение ограничено объемом. Происходит одновременное увеличение межпучкового расстояния и увеличение среднего диаметра пучков.

При обработке ненаполненного кожевенного полуфабриката, такого как вет- блю, этот процесс идет до тех пор пока не наступает баланс макро и микропористости при Wp1. Рост микропористости ограничен более интенсивными процессами в макропорах, существенно больших по объему и фиксированной величиной объема кожи. Численную зависимость макропористости и микропористости можно получить по измерениям межпучкового расстояния. Так изменения межпучкового расстояния можно проанализировать по микрофотографиям, исходя из принятого увеличения (рис. 1 а-е). В гидрофильном образце полуфабриката КРС (рис. 1 б) расстояния между пучками волокон или макропоры составляют от 35 до 80 мкм, у контрольного, рисунок 3.8- от 30 до 50 мкм. Расстояния между волокнами в пучках или микропоры гидрофильного образца (рис. 1 в) имеют размер 1,4-4 мкм, а у контрольного - от 0,3 до 1 мкм (рис. 1 6). Таким образом вклад микропористости в суммарную пористость в точке баланса Wp1 составляет не более 4-5 %, у контрольного 1-2 %, что в единицах измерения пористости соответствует 2,10-2,63 % и 0,51- 1,02 %.

При дальнейшем увеличении мощности идет увеличение макропор и одновременное сжатие микропор, вплоть до их полного схлопывания при Wp2. Данный вид воздействия плазмы на пористую структуру кожи является частным случаем гидрофобизации, так как остается разделенной развитая система макропор. Жидкостные процессы в материале не блокируются, а значительно замедляются.

Таким образом можно полагать, что гидрофильные свойства кожи зависят от суммарной пористости только отчасти, важным является баланс размера пор.

Как показали проведенные исследования, обработка кожевенных материалов в разряде высокочастотной плазмы пониженного давления оказывает влияние на пористую структуру. Структурные изменения, происходящие при этом в коже, зависят от режимов обработки. Плазменная обработка оказывает существенное влияние на пористость кожи и позволяет регулировать ее качественные соотношения.

Экспериментальная часть

В экспериментах использован вет- блю из сырья КРС производства ОАО «Сафьян» г. Казань. Обработка проводилась в экспериментальной высокочастотной плазменной установке, настроенной на емкостную нагрузку [2]. Выбраны следующие режимы обработки: частота генерации 13,56 МГц, давление в рабочей камере 13,3 Па, расход плазмообразующего газа- аргона 0,04 г/с, время обработки 5 мин, мощность разряда варьировалась от 1,1 до 2 кВт.

Литература

1. И.Ш. Абдуллин. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях /И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. Казань: Изд-во КГУ, 2000.-347 с.

2. И.Ш. Абдуллин. Высокочастотная плазменная обработка в динамическом вакууме капиллярно- пористых материалов. Теория и практика применения /И.Ш. Абдуллин, Л.Н. Абуталипова, В.С. Желтухин, И.В. Красина. Казань: Изд-во КГУ, 2004.-428 с.

© Э. Ф. Вознесенский - асп. каф. технология кожи и меха КГТУ; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ; И. В. Красина -канд. техн. наук, докторант , каф. технология кожи и меха КГТУ; Г. Н. Кулевцов - канд. техн. наук, доц. той же каф.