Анализ пористой структуры натуральной кожи на основе пространственной геометрической модели Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 675.015.64-405.8.001.57

Э. Ф. Вознесенский

АНАЛИЗ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ НАТУРАЛЬНОЙ КОЖИ

НА ОСНОВЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Ключевые слова: натуральная кожа, микроструктура, волокна, пористость, моделирование, поверхность пор.

Статья посвящена исследованию пористой структуры кожи на основе пространственного геометрического моделирования. Предлагается построение геометрической модели структуры волокнистого материала. Теоретически исследовано распределение размеров пор и площади их внутренней поверхности.

Keywords: natural leather, microstructure, fibres, porosity, modelling, internal area of pores.

Article is devoted to researching of porous structure of a tanned leather on the basis of volume geometrical modelling. The geometrical model of structure of a fibrous material is offered. The sizes of pores and the area of their internal surface is theoretically investigated.

Пористость кожи непосредственно связана с укладкой волокон. Так вторичные волокна при взаимном трехмерном трехмерном переплетении образуют макропоры (1-50 мкм), первичные коллагеновые волокна, продольно упаковываясь внутри вторичных, образуют мезопоры (0,05-2 мкм); фибриллы внутри первичных волокон могут образовывать микропоры нанометрового размера (5-70 нм); хотя имеются сведения об отсутствии активных сорбционных процессов в этом уровне структуры [1].

В процессах выделки активные реагенты формируют пористую структуру кожи и диффундируют в нее, вызывая ее динамические изменения. Во время направленной модификации материала и даже при эксплуатации изделий из натуральной кожи пористая структура взаимодействует с разнообразными средам и претерпевает изменения. Для контроля процессов выделки, модификации и качества готового материала, а также прогнозирования его эксплуатационных свойств необходимо подробное исследование структуры.

Для интерпретации данных структурных исследований, а также для изучения и моделирования сорбционных и газообменных процессов актуальной является задача построения адекватной модели волокнисто-пористой структуры кожи [2].

Натуральная кожа имеет белковое строение, структурные особенности кожи определяются укладкой цепей фибриллярного белка коллагена. Элементами микроструктуры коллагена кожи являются пучки волокон и отдельные волокна. Волокна в пучках уложены параллельно, между собой пучки образуют сложное трехмерное переплетение и определенный, характерный, угол к поверхности кожи. Переплетения, угол наклона, плотность структуры существенно зависят от вида, возраста, пола животного, топографического участка шкуры и процессов выделки [3,4].

В качестве модели сетчатого слоя выделанной кожи предложена система цилиндрических тел в трехмерной системе координат. Цилиндры диаметром 3,6 мкм имитируют отдельные волокна, они сгруппированы в пучки диаметром 60,7 мкм, каждые три соседних пучка сориентированы друг относительно друга под углом 1200 в плоскости XOY; с плоскостью материала пучки и волокна образуют одинаковый угол в 12,50 [5, 6]. Для обеспечения сплошности структуры цилиндры сплющены и допущено перекрытие соседних пучков до 10 % от диаметра, что в реальном материале обеспечивается переменной толщиной пучков и сложным трехмерным переплетением.

Проведено численное исследование пористой структуры двухуровневой пространственной модели кожевенного материала. Определение внутренних пор производилось путем последовательного вертикального сканирования слоев геометрической модели с шагом по координатам X и Y - 1 мкм (рис. 1).

Подход основан на предположении, что в результате сканирования можно получить упрощенную картину строения пор. Точность исследования возрастает с уменьшением шага сканирования. При сканировании определено количество пористых фрагментов материала. Выявлены поры с вертикальными размерами от 0,1 до 30 мкм.

Рис. 1 - Координаты точек пересечения со структурными элементами модели при

сквозном сканировании с шагом 1 мкм

Для визуализации данных сканирования построен график накопления пористости и внутренней поверхности модели в зависимости от вертикальных размеров пор (рис. 2). Суммарная пористость модели, определенная сканированием составляет - 47,64 %.

Рис. 2 - Зависимость суммарной поверхности пор и пористости геометрической модели

от размеров пор

272

Как видно из графика (рис. 2), поры вертикальным размером до 0,5-0,6 мкм (преимущественно первичные и мелкие вторичные поры) в суммарной пористости модели составляют только 31 %, при этом в этой области размеров пор содержится около 95 % внутренней поверхности материала. Таким образом, результаты анализа пространственной геометрической модели свидетельствуют о том, что развитие первичной пористости кожи повышает доступность 95 % внутренней поверхности материала для обрабатывающих сред.

Полученная пространственная геометрическая модель также может быть адаптирована к разным видам кож и топографических участков. Служить основой для моделирования процессов диффузии, иллюстрировать микроструктурные изменения материала и др.

Литература

1. Chien, J. / J. Chien // Journal of Macromolecular Science (Rewiews). - 1975 (12C). - P. 1.

2. Абдуллин, И.Ш. Зависимость между деформациями волокнистых элементов и пористостью кожевенного материала при ВЧЕ-плазменной модификации / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, И.В. Красина, Г.Н. Кулевцов, Л.Р. Джанбекова, Е.И. Мекешкина-Абдуллина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - № 6, Ч. 1. - С. 12-16.

3. Зайдес, А. Л. Структура коллагена и ее изменение при обработках / А.Л.Зайдес.- М.: Ростехиздат, 1960. -283с.

4. Михайлов, А.Н. Химия и физика коллагена кожного покрова / А.Н.Михайлов. - М.: Легкая индустрия, 1980. -232с.

5. Абдуллин, И. Ш. Моделирование микроструктуры кожевенного материала на стадиях производства и при ВЧЕ-плазменной обработке: монография / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, В.С. Желтухин, И.В. Красина. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. - 229 с.

© Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, доц. КГТУ, [email protected].