Модификация кутикулы волосяного покрова меха в низкотемпературной плазме ВЧ-разряда

Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, И. В. Красина МОДИФИКАЦИЯ КУТИКУЛЫ ВОЛОСЯНОГО ПОКРОВА МЕХА В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ ВЧ-РАЗРЯДА

Ключевые слова: мех, волосяной покров, кутикула, высокочастотная плазма, активация,

структура, отделка.

Рассмотрен эффект модификации поверхности волосяного покрова меха в плазме ВЧ-разряда пониженного давления. Методом электронной микроскопии установлены изменения в строении кутикулы волоса овчины под действием плазменной обработки и их влияние на интенсивность проведения отделочных процессов производства меха.

Keywords: fur, a scalp, cuticula, radio-frequency plasma, activation, structure, finishingproc-

esses.

The effect of surface modification of a scalp of fur in low pressure RF-plasma is considered. The changes in a structure of hair cuticula of a sheepskin after plasma processing and its influence on intensity of finishing processes in fur manufacture is established by electronic microscopy.

Низкотемпературная плазма (НТП) разных типов разряда широко применяется в модификации материалов различной природы и строения. В частности, подробно исследованы возможности НТП модификации шерсти с целью придания ей разнообразных свойств.

Работы [1-4] посвящены модификации шерсти плазмой тлеющего разряда. Установлено, что при данном воздействии происходит травление кутикулы и образование свободных радикалов, благодаря чему улучшается окрашиваемость шерсти и ее фрикционные свойства.

Авторами [5] исследована возможность обработки шерсти в плазме барьерного разряда, установлено улучшение ее механических свойств, в частности, несминаемости. Обработка шерсти в коронном разряде в смеси воздух-хлор [6] приводит к значительным изменениям сил сцепления между волокнами. Эффекты объемной НТП модификации коркового слоя шерсти рассмотрены в статье [7].

Исследована возможность модификации волосяного покрова натурального меха в НТП высокочастотного разряда пониженного давления на этапе отделочных процессов производства. В качестве объекта исследований выбран полуфабрикат меховой овчины хромового дубления. Для эксперимента использовалась ВЧ-плазменная установка, описанная в литературе [8]. Варьировались следующие параметры обработки: давление (P) 13,3-26,6 Па; расход плазмообразующего аргона (G) 0,02-0,08 г/с; сила тока на аноде генераторной лампы (/) 0,3-0,8 А; напряжение на аноде (U) 1-7,5 кВ; время обработки (т) 115 мин.

Методом РЭМ исследованы поверхностные изменения волосяного покрова меховой овчины при обработке в трех режимах с возрастающей интенсивностью. В качестве режимов использовались:

- и = 1 кВ; I = 0,3 А; О = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 5 мин;

- и = 5 кВ; I = 0,5 А; О = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 5 мин;

- и = 7,5 кВ; I = 0,8 А; О = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 15 мин.

При органолептической оценке изменений волосяного покрова после плазменной обработки с ростом интенсивности воздействия повышается его шероховатость.

На рис. 1а представлены микрофотографии исходного, не обработанного плазмой образца: кутикула демонстрирует целостность; чешуйки плотно прилегают к стержню; сколов или отставаний чешуек не наблюдается.

Рис. 1 - Микрофотографии волосяного покрова меховой овчины после дубления, Х1 800: а - исходный образец; б - образец, обработанный в режиме и = 1 кВ; I = 0,3 А; О = 0,04 г/с; P = 26,6 Па; т = 5 мин; в - Б" = 5 кВ; I = 0,5 А; О = 0,04 г/с; P = 26,6 Па; т = 15 мин; г - и = 7,5 кВ; I = 0,8 А; О = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 15 мин

С ростом интенсивности режима ВЧ-плазменной обработки усиливаются изменения поверхности волокна. Так при обработке в режиме и = 1 кВ; I = 0,3 А; G = 0,04 г/с; Р =

26.6 Па; т = 5 мин наблюдается отслаивание чешуек и разрушение фиксирующего их матрикса (рис. 1б). У образца, обработанного в режиме и = 5 кВ; I = 0,5 А; G = 0,04 г/с; Р =

26.6 Па; т = 5 мин верхние края чешуек освобождены от матрикса и утонены (рис. 1в). На рис. 1 г представлен образец после ВЧ-плазменной обработки в наиболее интенсивном режиме и = 7,5 кВ; I = 0,8 А; G = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 15 мин. Явного отклонения чешуек кутикулы от стержня не наблюдается, однако верхние края чешуек покрыты сколами, истончены и отслоены от поверхности волокна.

Изменения волосяного покрова после ВЧ НТП обработки вероятно связаны с эрозией тонких верхних краев кутикулярных клеток под действием ионной бомбардировки (3090 эВ). Отслоение чешуек и нарушение целостности матрикса может произойти под действием эффекта объемной обработки, характерной для плазмы ВЧ-разряда, за счет несамостоятельного разряда в приповерхностных полостях и увеличения этих полостей при рекомбинации ионов (15,76 эВ).

Чтобы установить проявление эффектов ВЧ НТП модификации в отделочных процессах, с исходными и модифицированными образцами проведено облагораживание с применением спирто-кислотной смеси, формалина и термовоздействия. Образцы волосяного покрова после облагораживания ощутимых различий при органолептической оценке не обнаруживают.

После облагораживания рельеф кутикулы исходных образцов сглажен (рис. 2а), имеются сколы выступающих краев чешуек, кутикула плотно прилегает к стержню. Верхние края клеток кутикулы опытных образцов сглажены, кутикула отслоена от стержня волоса (рис. 2б-г). При этом эффекты усиливаются с ростом интенсивности режима обработки. Наблюдается очищение краев чешуек от матрикса.

ТМ-1000_1785 2010 06 22 10 09 I х18к 50 ит ТМ-1000_1790 2010 06 22 10 21 I х1,8к 50 ит

ТМ-1000_1795 2010 06.22 10:33 I. х1.8к 50 ит ТМ-1000_1800 2010 06 22 10 44 I х1,8к 50 ит

в г

Рис. 2 - Микрофотографии волосяного покрова меховой овчины после облагораживания, х1 800: а - исходный образец; б - образец, обработанный в режиме и = 1 кВ; I = 0,3 А; О = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 5 мин; в - и = 5 кВ; I = 0,5 А; О = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 15 мин; г - и = 7,5 кВ; I = 0,8 А; О = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 15 мин

У образцов, обработанных в режиме и = 7,5 кВ; I = 0,8 А; G = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 15 мин верхние края чешуек наглядно отстают от стержня, утолщены и сглажены.

Вероятно, в процессе облагораживания утоненные и поврежденные после НТП обработки края чешуек полностью удаляются, открывая более толстые участки клеток кутикулы.

После облагораживания с образцами меховой овчины, согласно традиционной технологии, проведено отбеливание и крашение (использовался кислотный краситель). При органолептической оценке крашеного меха опытные образцы отличались более интенсивной и равномерной окраской, причем интенсивность окрашивания увеличивалась с ростом интенсивности режима плазменной обработки.

Поверхность кутикулы исходных образцов (рис. 3 а) очищена от сколов, проявившихся после облагораживания (рис. 2а) и напоминает состояние опытных облагороженных образцов волосяного покрова (рис. 2б-г).

У опытных образцов (рис. 3б-г) с ростом интенсивности плазменного воздействия усугубляется удаление верхних краев чешуек и утолщение последних. Так, у образцов, обработанных в режимах и = 5 кВ; I = 0,5 А; G = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 5 мин и и = 7,5 кВ; I = 0,8 А; G = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 15 мин на поверхности видны слои матрикса на месте удаленных краев (рис. 3в-г).

Рис. 3 - Микрофотографии поверхности кутикулы волосяного покрова меховой овчины, после крашения, *3000: а - исходный образец; б - образец, обработанный в режиме и = 1 кВ; I = 0,3 А; G = 0,04 г/с; P = 26,6 Па; т = 5 мин; в - Б" = 5 кВ; I = 0,5 А; G = 0,04 г/с; P = 26,6 Па; т = 15 мин; г - и = 7,5 кВ; I = 0,8 А; G = 0,04 г/с; Р = 26,6 Па; т = 15 мин

На основе данных электронно-микроскопических исследований установлено, что обработка в плазме ВЧ-разряда пониженного давления необлагороженного волосяного покрова меховой овчины приводит к изменениям в строении кутикулы. За счет процессов ионной бомбардировки происходит травление внешней поверхности верхних краев кути-кулярных клеток и нарушение целостности залегающего под ними матрикса. Под действием объемной модификации в приповерхностных полостях кутикулы происходит расслоение кутикулярных клеток и матрикса.

Представленный механизм может рассматриваться как разновидность физической активации волокнистого материала. В процессе плазменной обработки происходит нарушение двух естественных инертных барьеров шерстяного волокна:

- травление клеточных мембран на поверхности кутикулы, благодаря чему облегчается внутриклеточная диффузия;

- повышение доступности межклеточного матрикса, который является областью диффузии внутрь волокна.

Данные эффекты наглядно проявляются в экспериментах с крашением.

Таким образом, ВЧ НТП модификация может применяться для активации поверхности волосяного покрова в процессах производства и отделки меха, а также при отделке шерсти и шерсть-содержащих материалов, с целью интенсификации процессов.

Литература

1. Садова, С.Ф. Действие низкотемпературной плазмы на поверхность шерсти / С.Ф. Садова, Л. Лапчик, О. Пайгрт, В. Калоускова // Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. -1983. №6. - С.64-68.

2. Садова, С. Ф. Использование обработки в тлеющем разряде для отделки шерстяных материалов.

- М: ЦНИИТЭИЛегпром. Шерстяная промышленность.- 1991. - №1. - 48 с.

3. Садова, С.Ф. Природа изменений физико-химических свойств шерсти, обработанной плазмой тлеющего разряда / С.Ф. Садова, Н.Н. Баева, В.А. Шарпатый // Изв. Вузов. Химия и химическая технология. - 1992. - Т.35, № 2. - С.101-103.

4. Садова, С.Ф. О природе изменений физико-химических свойств шерстяного волокна, обработанного в плазме тлеющего разряда / С.Ф. Садова, Н.Н. Баева, В.А. Шарпатый // Тезисы докл. Всесоюзн. Семинара «Теория и практика плазмо-химической обработки тканей и полимерных пленок». - Иваново. - 1991. -С.12.

5. Farmer, A.J.D. Dielectrik barrier discharge treatment of textiles / A.J.D. Farmer, P.S. Turner, X.J. Dai // 14-th international symposium on plasma chemistry. - Prague, Czech Republic, 1999. V.3. - P. 1131-1135.

6. Wakida, Т. Changes in Surface Properties of polyetelene terephtalate Treated with Low Temperature Plasma: Effect of Pretreatment with dimethylformamide / Т. Wakida, H. Kawamura, L. Hau, H. Kyung, T. Goto, T. Takagishi // J.Soc. of Fiber Sci. and Technology, Japan, 1986. V.42. - N2. - P. 69-73.

7. Вознесенский, Э.Ф. Структурные аспекты модификации натурального кератинсодержащего материала в плазме ВЧ-разряда пониженного давления / Э.Ф. Вознесенский, Ф.С. Шарифуллин, И.В. Красина, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2009. - № 5. - С. 426-429.

8. Кулевцов, Г.Н. Повышение эффективности использования сырья, полуфабриката, отходов и вспомогательных материалов кожевенного производства с применением низкотемпературной плазмы / Г.Н. Кулевцов, Л.Р. Джанбекова, И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, И.В. Красина, Э.Ф. Вознесенский. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол ун-та, 2008. - 260 с.

© Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, howrip@rambler.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, tkim1@kstu.ru; И. В. Красина - д-р техн. наук, зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КГТУ, irina_krasina@mail.ru.