Влияние потока низкотемпературноы плазмы пониженного давления на физико- механические свойства в технологии получения мехового полуфабриката

УДК 675.6.06.014/533.9

С. Ю. Грузкова, И. Х. Исрафилов, И. В. Красина ВЛИЯНИЕ ПОТОКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЖЕВОЙ ТКАНИ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХОВОГО ПОЛУФАБРИКАТА

Представлены результаты исследований, направленные на определение оценки влияния плазменной обработки применяемой в технологии получения полуфабриката, на физико-механические характеристики кожевой ткани шкур меховой овчины и северного оленя

В настоящее время для отечественной меховой промышленности остро стоит проблема повышения конкурентоспособности продукции. Одним из путей решения этой задачи является повышение качества полуфабриката, процесс получения которого сопровождается достижением необходимых изменений микроструктуры кожевой ткани в жидкостных процессах; ее фиксации в процессе дубления; а также придание ее структурным элементам определенных физико-механических свойств, устойчивости к действию влаги, термическим и бактериальным воздействиям.

Распространенные химические и механические методы совершенствования технологий получения полуфабриката оказываются недостаточно эффективными, так как не позволяют достигнуть комплексного улучшения его характеристик и удовлетворить все возрастающие запросы потребителей. В качестве альтернативы механическим, химическим методам модификации натуральных высокомолекулярных материалов (ВММ) особую значимость приобретают электрофизические методы, отличительной особенностью которых является:

- возможность модификации материалов различной природы с любыми физикомеханическими, физико-химическими свойствами;

- использование электрической энергии непосредственно в рабочей зоне через химические, тепловые и механические воздействия [1-3];

- возможность механизации и автоматизации основных технологических и вспомогательных процессов.

Среди электрофизических методов, особое место занимает применение плазмы. Наиболее приемлемый, с точки зрения достижения эффекта плазменной модификации, без существенной деструкции натуральных ВММ, диапазон энергии активных частиц плазмы должен составлять от 1 до 100 эВ. Приведенный выше уровень энергии активных частиц плазмы наиболее оптимально реализуется в потоках неравновесной низкотемпературной плазмы, генерируемой высокочастотными разрядами пониженного давления. Эффект плазмы данного типа разряда определяется химической природой, строением обрабатываемого материала и технологическими параметрами плазмы. Также, следует отметить экологический аспект обработки низкотемпературной плазмой (НТП) пониженного давления, не требующей использования химических растворов, что позволит уменьшить количество экологически вредных компонентов в процессе переработки сырья в полуфабрикат.

Целью работы является разработка технологий получение мехового полуфабриката из шкур меховой овчины и северного оленя с применением объемной модификации кожевой ткани в потоке НТП пониженного давления, позволяющей повысить эксплутационные показатели и интенсифицировать технологические жидкостные процессы.

При модификации ВММ в потоке НТП, получение того или иного эффекта в большей степени зависит от режима обработки. На первой стадии исследований, определяли эффективность воздействия потока ВЧЕ-разряда на кожевую ткань по способности сырья поглощать влагу. При этом определяли показатель двухчасовой намокаемости (рис. 1).

0,9 1,1 1,3 1,6 1,8

\Ур, кВт

Ф '3 МИН. —0^—4 МИН. -А 5 МИН. и 6 мин.

Рис. 1 - Изменение двухчасовой намокаемости кожевой ткани опытного образца меховой овчины от мощности разряда, обработанного в режиме: Р = 13.3 Па, барГОН = 0.04 г/с, т = 5 мин. Значение двухчасовой намокаемости у контрольного образца составило 67.2 %

Из анализа кривых представленных на рис. 1 следует, что наибольшее увеличение намокаемости у опытных образцов меховой овчины происходит при мощности разряда 1,3 кВт и продолжительности обработки 5 минут. Кроме того, при проведении обработки в установленном режиме (Р = 13.3 Па, Саргон = 0.04 г/с, т = 5 мин, = 1.3 кВт) наблюдается

снижение показателя температуры сваривания на 3-4 оС и увеличение значения пористости в среднем на 8 %. Для доказательства факта сохранения закономерностей влияния плазменной обработки на кожевую ткань, исследования проводились также на шкурах северного оленя. Однако в силу биологических особенностей режимы плазменной обработки требовали корректировки (наибольшее увеличение намокаемости у образцов шкур оленя происходит при продолжительности обработки 3 мин). Плазменная обработка сырья в установленном режиме привела к снижению значения температуры сваривания в среднем на 2 - 2.5 оС и увеличению пористости на 10 %. Полученные данные являются результатом ряда процессов, обусловленных именно плазменной обработкой и могут свидетельствовать о том, что применение НТП перед процессом отмоки сопровождается частичным раз-волокнением и уменьшением компактности переплетения структурных элементов дермы, в результате ослабления водородных связей (прочность связи порядка 1 эВ) и связей, образованных силами Ван-дер-Ваальса, что способствует увеличению сорбционной способности кожевой ткани при проведении подготовительных жидкостных процессов.

Показатели степени обводнения кожевой ткани, после отмоки, у опытных образцов меховой овчины и оленя были выше контрольных. Это подтверждает то, что предварительная плазменная обработка сырья повышает число взаимодействий активных центров

структуры коллагена с молекулами воды и приводит к большим изменениям микроструктуры дермы: увеличению межпучковых промежутков, а также просветов, отделяющих друг от друга более мелкие структурные элементы.

В процессе пикелевания отмечается рост показателя степени обезвоживания у опытных образцов, что может свидетельствовать о большем количестве поглощенной кислоты кожевой тканью и лучшей ее подготовкой к последующему процессу - дублению. Данный аспект особенно важен в меховом производстве при дублении, поскольку наличие эпидермиса составляет определенное препятствие для диффузии дубильных веществ со стороны сосочкового слоя. В случае таких сложных сорбентов, как коллаген, обладающий многоступенчатой капиллярно-пористой структурой, размеры которой значительно изменяются в процессе гидратации, результаты определения процентного содержания пор после пикелевания показали увеличение значения пористости у опытного образца меховой овчины и его снижение у образца северного оленя относительно контрольных. Однако, поскольку после пикелевания структура кожевой ткани менее фиксирована, процентное изменение значений пористости опытных и контрольных образцов может варьироваться в широком диапазоне значений, в результате лабильности и разрушения межмолекулярных связей между коллагеновыми пучками и волокнами в пучках.

Проведение повторной плазменной обработки - перед дублением, вероятно, приводит к дополнительному разволокнению структуры дермы и освобождению функциональных групп коллагена, вступающих в реакцию с хромовыми комплексами, что облегчает диффузию частиц хромового дубителя, способствует равномерному их распределению в толще кожевой ткани и образованию большего количества межмолекулярных мостиков, скрепляющих структурные элементы коллагена. Вышесказанное подтверждается увеличением показателей массовой доли минеральных веществ и доли окиси хрома в полуфабрикате кожевой ткани опытных образцов меховой овчины и северного оленя (табл. 1), а также повышением термостойкости и физико-механическими показателями полуфабриката.

Таблица 1 - Химические и физико-механические характеристики свойств кожевой ткани полуфабриката шкур северного оленя и меховой овчины

Значение показателя

Наименование показателя Меховая овчина Северный олень

кон- троль- ный опыт- ный кон- троль- ный опыт- ный

Массовая доля влаги, % 14 12 10 10

Температура сваривания, оС 80.8 82.4 83.5 88.2

Пористость, % 36.8 41.2 52.8 60.4

Массовая доля минеральных веществ, % 7.2 7.48 6.6 8.6

Массовая доля окиси хрома для шкур хромового дубления, % 0.8 0.82 1.64 1.78

Массовая доля несвязанных жировых веществ, % 6.3 6.54 17.2 15.6

Предел прочности при растяжении, МПа 16.8 17.4 10.62 11.43

Удлинение относительное при напряжении 4,9 МПа, % 50.0 52.0 54.0 56.0

Экспериментальная часть

Для исследования влияния потока НТП пониженного давления на свойства кожевой ткани в технологии получения мехового полуфабриката в работе использовались образцы шкур меховой полутонкорунной, полушерстной овчины мокросоленого способа консервирования и северного оленя сухосоленого способа консервирования.

Для чистоты эксперимента образцы меховой овчины промывали проточной водой в присутствии препарата «Неонол» в течении 2 - 5 мин. (в количестве 1 г/л) и высушивали затем при комнатной температуре (19 - 23 оС). Все операции техпроцесса переработки сырья в полуфабрикат проводили по методике, соответствующей принятой на предприятии для указанного вида сырья.

Обработку опытных образцов в сырье перед процессом отмоки и перед дублением в потоке НТП проводили на экспериментальной ВЧ-плазменной установке [4]. Контрольные образцы плазменной обработке не подвергались.

Входные параметры ВЧ-плазменной установки при обработке опытных образцов, варьировались в следующих пределах: давление в рабочей камере Р = 13.3 - 26.6 Па, расход плазмообразующего газа (аргона) Оаргон = 0.04 - 0.06 г/с, мощность разряда Wp = 1.3 - 1.8 кВт, продолжительности обработки т = 3 - 6 мин.

Методы исследований основаны на использовании стандартных методик. Изучение характеристик кожевой ткани с целью установления механизма воздействия плазменной обработки проводилось с использованием методов определения степени обводнения; температуры сваривания, пористости, химических и физико-механических свойств.

Литература

1. Snoeys R. The role - of nonconventional machining methods in mechanical manufacturing // Bull. Se-anc. Acad. Sci. Outre Mer / Meded Zin. K. Acad. Oxerzeese Wet. - 1986. - №3. V.3. - p.503 - 505.

2. Модификация свойств полимеров и полимерных материалов. - Киев.: Наукова думка, 1965. -151с.

3. Махлис Ф.А. Радиационная физика и химия полимеров. -М.: Атомиздат, 1972. - 256с.

4. Абдуллин И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С, Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань: Изд-во КГУ, 2003. - 348с.

© И. Х. Исрафилов - д-р техн. наук, зав. каф. высоко-энергетической и пищевой инженерии Камской государственной инженерно-экономической академии; И. В. Красина - канд. техн. наук, докторант каф. технологии кожи и меха КГТУ; С. Ю. Грузкова - асп. кафедры технологии кожи и меха КГТУ.