Исследование эффектов ВЧ-плазменной модификации волосяного покрова меха методом СЗМ-микроскопии

УДК 677:675.015.64:533.9

Э. Ф. Вознесенский, Ф. С. Шарифуллин, И. Ш. Абдуллин,

В. С. Желтухин, И. В. Красина

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ВЧ-ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ

ВОЛОСЯНОГО ПОКРОВА МЕХА МЕТОДОМ СЗМ-МИКРОСКОПИИ

Ключевые слова: ВЧ-плазма, волос, мех, кутикула, модификация, травление, СЗМ-микроскопия.

В статье рассмотрены эффекты модификации поверхности волосяного покрова меха в плазме ВЧ разряда пониженного давления. Методом СЗМ-микроскопии установлено, что при модификации ВЧ плазмой пониженного давления происходит травление поверхностного слоя толщиной 50-100 нм за счет воздействия низкоэнергетичного ионного потока. Ионный поток фокусируется в области выступов кутикулы, приводя к их частичному разрушению.

Keywords: RF-plasma, hair, fur, cuticle, modification, etching, SPM-microscopy.

In article the effects of surface modification of a fur scalp in low-pressure RF-plasma are considered. It is established by the SPM-microscopy method, that low-pressure RF-plasma modification leads to etching of a surface layer by thickness about 50-100 nm by influence of low-energetic ionic stream.

The ionic stream is focused in the field of ledges of cuticle, leading to their partial removing.

Натуральные мех и шерсть исторически являются самыми распространенным материалами для изготовления утепленной одежды и обуви, что связано с высокими теплоизолирующими свойствами натурального волоса. Современные технологии обработки волосяного покрова меха и шерсти во многом являются традиционными, наряду с этим разрабатываются новые технологические процессы и реагенты для переработки кератинсодержащих материалов.

Известны разнообразные методы модификации кератинсодержащих материалов, например в низкотемпературной плазме барьерного и тлеющего разряда [1], под действием гидродинамических полей [2], ионизирующих излучений [3] и др. Модификация шерсти преимущественно направлена на повышение прочности волоса, активацию поверхности перед жидкостными обработками, регулирование рельефа поверхности. Перечисленные технические задачи решаются при применении для модификации шерсти плазмы высокочастотного (ВЧ) разряда пониженного давления.

Проведены экспериментальные исследования влияния ВЧ-плазменной модификации на структуру и свойства волосяного покрова меха. В качестве объектов исследований использовались образцы полуфабрикатов меховой овчины промышленного производства по ГОСТ 4661-76. В экспериментах использовалась опытно-промышленная ВЧЕ-плазменная установка, описанная в литературе [4].

Экспериментально установлено, что ВЧ-плазменная модификация натуральных кератинсодержащих материалов повышает показатели гидрофильных свойств, что способствует повышению равномерности и интенсификации жидкостных обработок -крашения на 30-60 %, осветления на 10-25%. Результаты исследования влияния НТП модификации на физико-механические и физико-химические свойства волосяного покрова меха представлены в табл. 1.

Методом просвечивающей электронной микроскопии поперечных срезов волос показано, что ВЧ-плазменная модификация волосяного покрова овчины в ряде режимов приводит к поверхностному травлению, удалению эпи- и значительной части экзокутикулы [5]. Методом сканирующей электронной микроскопии установлено изменение рельефа кутикулы волос после модификации в ВЧ-плазме пониженного давления [6].

Для уточнения полученных данных структурных исследований эффекта травления кутикулы волоса проведено исследование рельефной области кутикулы - в окрестности выступающих краев кутикулярных клеток, методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).

Метод сканирующей зондовой микроскопии позволяет изучать трехмерную структуру

328

Таблица 1 - Влияние НТП модификации на физико-механические и физико-химические свойства волосяного покрова меховой овчины

Показатели Образец

С применением НТП модификации Контрольный

Прочность волоса на разрыв, Н 0,84 0,6

Температура текучести, 0С 285 268

Щелочная растворимость; % 17,95 18,05

Кислотная растворимость, % 20,0 18,5

Щелочная емкость, мэкв/г 1,21 1,18

Кислотная емкость, мэкв/г 0,68 0,63

образцов, за счет механического сканирования поверхности микрозондом. Исследование проводилось на СЗМ-микроскопе МиШМоёе V фирмы Уееео, обеспечивающем исследование топографии поверхности объектов в интервале высот от 1 нм до 1 мкм с погрешностью ± 10%. Микрозонд, укрепленный на контилевере, имеет радиус закругления 1-10 нм. При перемещении микрозонда вдоль поверхности образца происходит сканирование рельефа поверхности. Колебания зонда регистрируются лазерным фотодетектором, для обеспечения постоянной силы давления острия зонда на образец. Пьезоэлектрический преобразователь регистрирует изменение рельефа образца в режиме реального времени. Результатом сканирования является трехмерное изображение рельефа поверхности, заданное в виде массива координат точек сканирования.

Исследовались образцы волосяного покрова меховой овчины после процесса облагораживания по традиционной методике и с применением НТП модификации. В качестве характерных участков волоса выбраны области выступающих краев кутикулы. Результаты исследований приведены на рис. 1-2.

1500 2000 2500

в г

Рис. 1 - Результаты СЗМ исследования кутикулы волосяного покрова овчины контрольного образца: а, б - восстановленный фрагмент поверхности; в - профили рельефа, г - гистограмма распределения размеров неровностей в области сканирования

б

а

$00 1000 1500 2000 2500

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Рис. 2 - Результаты СЗМ исследования кутикулы волосяного покрова овчины опытного образца: а, б - восстановленный фрагмент поверхности; в - профили рельефа, г -гистограмма распределения размеров неровностей в области сканирования

Результаты сканирования кутикулы контрольного образца (рис. 1) демонстрируют характерный участок волоса в области выступающего края кутикулярной клетки, высота выступа составляет около 700 нм. Поверхность кутикулы в области выступа демонстрирует рельефность в диапазоне 30-50 нм; край выступа имеет правильную форму без сколов.

В опытном образце (рис. 2) высота выступа кутикулярной клетки составляет около 600 нм, область выступа имеет сглаженный рельеф, выступ имеет неправильную форму; непосредственно под выступом находится рельефная область толщиной порядка 100-150 нм. Очевидно, что выступ поврежден, удалена часть выступа, рельефная область под выступом представляет собой остаток кутикулярного матрикса и выступающего края клетки.

Результаты СЗМ-микроскопии подтверждают ранее сделанные выводы о травлении поверхности кутикулы волоса по действием низкоэнергетичного ионного потока. При этом толщина удаляемого при травлении слоя составляет 50-100 нм. Эффект травления наиболее интенсивно проявляется в области выступов кутикулярных клеток, что связано с влиянием рельефа кутикулы на характер ионной бомбардировки. Поверхность материала при помещении в ВЧ-плазму пониженного давления заряжается отрицательно, при этом

б

а

в

г

выступающие области рельефа, содержащие в себе большую долю поверхности, а следовательного и распределенного отрицательного заряда, фокусируют на себе низкоэнергетичный ионный поток, рис. 3.

Рис. 3 - Схема траекторий низкоэнергетичного ионного потока к поверхности кутикулы волоса

Таким образом, экспериментально установлено, что в процессе ВЧ-плазменной модификации осуществляется интенсивное травление выступов кутикулы волос меха, их частичное удаление, что приводит к вскрытию областей кутикулярного матрикса и сглаживанию рельефа кутикулы.

Результатом модификации структуры волосяного покрова меха в плазме ВЧ-разряда пониженного давления является повышение гидрофильности из-за удаления естественных инертных (гидрофобных) барьеров - эпи- и экзокутикулы, повышение доступности гидрофильных областей структуры - эндокутикулы и кутикулярного матрикса. Достигаемые эффекты модификации структуры способствуют повышению технологичности волоса при жидкостных обработках, выравниваение рельефа поверхности обеспечивает снижение способности волоса к свойлачиваемости.

Литература

1. Садова, С.Ф. Перспективы обработки шерстяных тканей низкотемпературной плазмой/ С.Ф. Садова, С.М. Журавлева // Легпромбизнес-Директор. - 2000. - №8. - С. 10-11.

2. Сарибекова, Ю.Г. Влияние модификации поверхности шерсти электроразрядной нелинейной объемной кавитацией на процесс крашения кислотными красителями / Ю.Г. Сарибекова, А.В. Ермолаева, С.А. Мясников // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. - 2010 - № 1. - С. 47-50.

3. Казас, В.М. Влияние у-излучения на некоторые свойства меха: автореф. дис... канд. техн. наук / В.М. Казас. -М, 1970. - 20 с.

4. Абдуллин, И.Ш. Моделирование микроструктуры кожевенного материала на стадиях производства и при ВЧЕ-плазменной обработке / И.Ш. Абдуллин и др. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. - 229 с.

5. Вознесенский, Э.Ф. Структурные аспекты модификации натурального кератинсодержащего материала в плазме ВЧ-разряда пониженного давления / Э.Ф. Вознесенский и др. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - № 5. - С. 426-429.

6. Абдуллин, И.Ш. Модификация поверхности волокон шерсти в низкотемпературной плазме ВЧ разряда / И.Ш. Абдуллин и др. // Известия высших учебных заведений. Технология легкой промышленности. - 2010. -№ 2. - С. 11-14.

© Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, howrip@rambler.ru; Ф. С. Шарифуллин - канд. техн. наук, докторант той же кафедры, e-mail: sharifullin80@mail.ru, И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проректор КНИТУ; В. С. Желтухин - сотр. КНИТУ; И. В. Красина - д-р техн. наук, проф. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, irina_krasina@mail.ru.