Изменение гидрофильности натуральных полимерных материалов, модифицированных ионно-плазменным методом

УДК 66.088; 675.015.64

Е. А. Ванюкова, О. Н. Кузьмина, М. М. Гребенщикова

ИЗМЕНЕНИЕ ГИДРОФИЛЬНОСТИ НАТУРАЛЬНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ,

МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ

Ключевые слова: полимерные материалы, изделия медицинского назначения, массовая доля влаги, влагоотдача, пористость,

конденсация из плазменной фазы.

Изучены гидрофильные свойства натуральной кожи, модифицированной путем конденсации из плазменной фазы. Установлено, что металл и связанный с ним режим нанесения металлоподобных наноструктурированных покрытий не влияют на показатели гидрофильности и паропроницаемости.

Keywords: polymeric materials, products of medical appointment, a mass fraction of moisture, moisture-yielding ability, porosity,

condensation from a plasma phase.

Hydrophilic properties of the leather modified by way of condensation from a plasma phase are studied. It is established that metal and the related mode of drawing the metalsimilar nanostructured coverings don't influence indicators of hydrophily water repellency and vapor permeability.

Важное значение имеет модификация полимерных материалов для изготовления изделий медицинского назначения, в том числе натуральной кожи, которая применяется в ортопедии.

Натуральная кожа - природный наноструктурированный полимер, обладающий высокоразвитой поверхностью. Ее химический состав чрезвычайно сложен. Интерес представляют процессы, происходящие на границе раздела фаз «поверхность натуральной кожи - металлоподобное наноструктурированное покрытие»: формирование металлоподобных покрытий на поверхности кожи, их стабильность, глубина проникновения в структуру дермы и свойства образующегося поверхностного слоя [1].

Основываясь на результатах научных работ, выполненных в последние годы и касающихся кожевенно-мехового производства, в частности, в области улучшения потребительских свойств натуральной кожи с применением высокочастотной плазмы пониженного давления, можно сделать вывод об обоснованности применения плазменной обработки с одновременной конденсацией из плазменной фазы материалов в виде слоев и покрытий на кожевенной основе.

В связи с этим, актуальным является исследование свойств материалов изделий медицинского назначения с биоактивными биосовместимыми покрытиями,

конденсированными из плазменнной фазы [2].

Целью работы является исследование влияния металлоподобных покрытий,

конденсированных из плазменной фазы на гидрофильно-гидрофобные характеристики

материалов, применяемых для изделий медицинского назначения. Объектом исследования является кожа ортопедическая из козлины по ГОСТ 3674-74 [3].

Микроскопия поверхности образцов, а также предыдущие исследования [4] установили отсутствие сплошности слоев металла на поверхности натуральной кожи. Для подтверждения данного факта исследованы показатели массовой доли влаги, паропроницаемости, гигроскопичности

и влагоотдачи на образцах козлины с нанесенными из плазменной фазы конденсатами металлов. Результаты представлены в таблице 1 и 2.

Таблица 1 - Гидрофильно-гидрофобные показатели образцов

Наименование О О TiN О Cu Ок

показателя HfN

Массовая доля 8,3 9,35 9,9 10,1

влаги в коже, %

Гигроскопичность, % 18,9 18,96 18,8 18,6

Влагоотдача, % 14,8 14,14 13,9 16,6

^ 0HfN - образцы кожевенного материала с покрытием из нитрида гафния

Отм - образцы кожевенного материала с покрытием из нитрида титана;

ОСи- образцы кожевенного материала с покрытием из меди;

ОК- контрольный образец натуральной кожи по ГОСТ 3674-74

Некоторое уменьшение массовой доли влаги во всех образцах кожи с покрытием связано с условиями нанесения металлоподобных слоев. При понижении давления и увеличении температуры в вакуумной камере происходит активное испарение влаги из натуральной кожи.

Показатели гигроскопичности и влагоотдачи не нормируются ГОСТ 3674-74, поэтому при проведении эксперимента проводят сравнение с контрольным образцом. Из таблицы 1 видно, что гигроскопичность, т.е. способность натуральной кожи как капиллярно-пористого тела поглощать влагу из воздуха у образцов с плазменными конденсатами на поверхности сохраняется на том же уровне, что и у контрольных образцов, т. е. площадь поверхности тела остается прежней, поры в поверхностных слоях не уменьшаются.

Проведено измерение показателя пористости образцов пикнометрическим методом. Результаты пористости приведены в таблице 2.

Пористость контрольного образца составляет максимальное значение из экспериментальных

образцов и составляет 99%. Показатели образцов с плазмоконденсатами металлов значительно ниже. Это, предположительно, также связано с частицами металлов в порах после плазмообработки.

Измерение сквозных пор на порометре показали следующие результаты (табл. 3).

Таблица 2 - Показатели пористости образцов

Наименование показателя Ос Ок

Пористость, % 86 88 92 99

Таблица 3- Результаты порометрии исследуемых образцов

Образец Размер маленькой поры

Ок 0,2933 0,7266 2,499

О™ 0,2118 0,2919 2,681

ОнfN 0,2118 0,6202 2,659

ю-

о-

о <!? у о|б о!« 1 у 1Д у ц 2 ц у у г!« з з|г ц з|б з|» 4 Ритаег [ип]

Рис. 1 - Дифференциальная кривая распределения пор образца с покрытием из нитрида титана

Рис. 2 - Дифференциальная кривая распределения пор образца с покрытием из нитрида гафния

Результаты таблицы 3 говорят о том, что метод конденсации покрытий из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки приводит к усреднению пор. Самое оптимальное соотношение размеров маленькой, средней и большой поры

наблюдается у образцов с покрытием нитрида титана.

Относительнпя паропроницяемосгь, %

Рис. 3 - Результаты определения относительной паропроницаемости

Паропроницаемость является одной из характеристик гигиенических свойств кожи. Сплошное покрытие на лицевой поверхности кожи влияет на паропроницаемость, снижая ее в 2-4 раза. В эксперименте установлено, что показатель паропроницаемости также сохраняется на уровне контрольного образца.

Таким образом, нанесение плазменных конденсатов на поверхность натуральной кожи не создает сплошного слоя, не закрывает поры и не влияет на гидрофильность и гидрофобность кожевенного материала.

Некоторое уменьшение массовой доли влаги во всех образцах кожи с покрытием связано с условиями нанесения металлоподобных слоев. При понижении давления и увеличении температуры в вакуумной камере происходит подсушивание капиллярно-пористой структуры натуральной кожи. Остальные показатели (массовые доли золы и окиси хрома) сохраняются на одном уровне с контрольными образцами и не противоречат ГОСТ 3674-74.

Таким образом, нанесение плазменных конденсатов на поверхность натуральной кожи не создает сплошного слоя, не закрывает поры и не влияет на гидрофильность и гидрофобность кожевенного материала.

Проведено исследование изменения водородного показателя (рН) натуральной кожи в зависимости от металла, наносимого на ее поверхность. Эти данные необходимы для дальнейших микробиологических исследований. Результаты представлены на рис. 4.

рН водной вытяжки

Рис. 4 - Зависимость изменений показателей рН водной вытяжки образцов от метода обработки

Из рисунка видно, что контрольный образец имеет наименьший, самый кислый уровень рН (5,07), а образцы с покрытием имеют более высокий уровень рН. Эти данные сообразуются с данными предыдущих исследований, и могут свидетельствовать о появлении ОН- групп на поверхности кожи.

На рисунке 5 проиллюстрированы показатели краевого угла смачивания исследуемых образцов.

105 100 95

тт° т О О Cu Ок

HfN TiN Ок

Рис. 5 - Краевой угол смачивания образцов

Краевой угол смачивания образца, обработанного медью, самый малый и составляет 99о. У контрольного образца и у кожи с нитридом гафния краевой угол смачивания составляет 106о, у нитридтитанового образца на 2о ниже - 104 оС. Следует, что самая гидрофильная кожа, из выше представленных - это кожа с покрытием плазмоконденсатов меди.

Установлено, что в результате конденсации металлоподобных покрытий из плазменной фазы в результате вакуумирования и воздействия температуры массовая доля влаги в образцах падает незначительно, с 10,1 % в контрольном образце до 8,3% в образцах с покрытием из нитрида гафния,

что в том числе, может входить в погрешность определения;

Определено, что металл и связанный с ним режим нанесения металлоподобных

наноструктурированных покрытий не влияют на показатели гидрофильности-гидрофобности и паропроницаемости, т.е. можно говорить об отсутствии сплошности покрытия. Конденсация металлоподобных покрытий на натуральную кожу не нарушает структуру капиллярно-пористого тела, не уменьшает объем пор на поверхности и не снижает влаго- и ипарообменные процессы натурального кожевенного материала

Литература

1. Абдуллин И.Ш. Технология получения кожевенного материала для изделий протезно-ортопедического назначения с биологически совместимыми свойствами/ И.Ш. Абдуллин, М.М. Гребенщикова, Р.А. Кайдриков, Э.Б. Гатина // Вестник Казанского технологического университета. - 2012.- №3. - С.101-103.

2. Абдуллин И.Ш. Плазменные конденсаты с биологически активными свойствами / И. Ш. Абдуллин, М.М. Гребенщикова// Новые технологии и материалы легкой промышленности: сборник статей 6 международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. - Казань, 2010. - 12 с.

3. ГОСТ 3674-74: Кожа хромовая для протезов и деталей музыкальных инструментов. Технические условия. -Введ. 01.01.76. - М.: Изд-во стандартов, 1974. - 7 с.

4. Абдуллин И. Ш. Исследование структуры и фазового состава биосовместимых плазменных конденсатов нитридов с нанофазой / И.Ш. Абдуллин, М.М. Гребенщикова, М.М. Миронов // Вестник Казанского технологического университета. Федер. агенство по образованию, Казан. гос. технол. ун-т.- 2011.- №14. -С.80-83.

© Е. А. Ванюкова - асп. каф. ПНТВМ КНИТУ, katja_vanja@mail.ru; О. Н. Кузьмина - магистр той же кафедры, olg12811838@yandex.ru; М. М. Гребенщикова - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, grebenschikova.marina@yandex.ru.

© Е. А. Vanukova, Postgraduate at the Department of Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials of KNRTU, katja_vanja@mail.ru; O. N. Кштша - Master in the same department, olg12811838@yandex.ru; М. М. Grebenshchikova - ph.D., Associate Professor in the same department, grebenschikova.marina@yandex.ru.