CC BY
33
Г. Р. Рахматуллина, Г. З. Давлетгараева
ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ КОЖ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЛАЗМЫ
Ключевые слова: высокочастотная плазма пониженного давления, материалы, объемная
модификация, свойства.
Плазменная обработка натуральной кожи приводит к существенному упорядочению пучков волокон за счет энергетического воздействия.
Key words: high-frequency plasma of the lowered pressure, materials, volume updating
(modification), properties.
Plasma processing of natural skin leads to essential consolidation of bunches of fibres at the expense of higher value of energy of ions
Введение
Построение физической модели взаимодействия натуральных кож с низкотемпературной плазмой основывается на анализе изменений, происходящих после плазменной модификации, как в внутри молекулярной, так и в надмолекулярной структурах коллагена.
На качественном уровне процесс взаимодействия плазмы высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления с капиллярно - пористым телом рассматривается как комплексное воздействие ВЧ плазмы пониженного давления на кожевенные материалы. Наибольший вклад в модификацию внешней поверхности вносят три процесса: рекомбинация ионов и передача энергии, приобретенной в слое поверхностного заряда у поверхности твердого тела, термическое воздействие, а в модификацию «в объеме» - рекомбинация ионов и термическое воздействие. Происходит одновременно обработка внешней поверхности материалов и внутренней поверхности пор и капилляров. Взаимодействие потоков заряженных частиц, поступающих на внешнюю поверхность из плазмы, а на внутреннюю из объема пор и капилляров приводит к изменению коллагена на надмолекулярном уровне.
Обсуждение результатов
В качестве объектов исследования выбраны кожевенные материалы: велюр, шлифованная кожа как с покрытием, так и без покрытия.
В результате анализа экспериментальных результатов можно выдвинуть следующую физическую модель. При размещении кожи в плазме ВЧ разряда пониженного давления она становится дополнительным электродом и у ее поверхности образуется слой положительного заряда (СПЗ) толщиной 10-3 м. Причиной возникновения СПЗ являются колебания электронного газа относительно малоподвижных ионов в осцилирующем электрическом поле. Ионы плазмы, ускоряясь в электрическом поле СПЗ, приобретают дополнительную энергию до 100 эВ и формируют поток ионов, а ионы, попавшие на поверх-
ность рекомбинируют с выделением энергии рекомбинации, которая составляет для аргона 15,76 эВ, и в объеме пор возникает несамостоятельный разряд.
Анализ энергии приобретенной ионами, бомбардирующими поверхность, позволяет утверждать, что за счет бомбардировки ионами поверхности композиционного материала покрывная композиция глубже проникает в структуру кожи, глубина проникновения пленки увеличивается на 63%. Кроме того, происходит внедрение в поверхность покрытия ионов аргона, что подтверждается результатами ОЖЕ-спектроскопии, в результате чего в покрытии наводятся сжимающие напряжения.
При плазменной обработке происходит изменение структуры, например, у кожевенного велюра происходит модификация первичных и вторичных волокон. В «сильном» режиме происходит одновременно уплотнение пучков волокон и увеличение микропористости, в результате чего увеличивается гигроскопичность до 74% и влагоотдача до 49%. Уплотнение пучков волокнистой структуры повышает их способность к ориентации при растяжении, а это приводит к уменьшению их изгиба и напряжений в них. Увеличение способности пучков волокон к определенной ориентации повышает прочность волокнистой структуры в целом, кроме того, происходит упорядочение и внутримолекулярной структуры, что подтверждается повышением степени кристалличности органической составляющей опытных образцов. Рост микропористости кожевенного велюра, являющийся следствием разделения структуры первичного волокна, приводит к незначительному увеличению эластичности материала.
Таким образом, при обработке ассортимента натуральных кожевенных материалов в «сильном» режиме для модификации материалов требуется больше энергии ионов, в результате которой происходит уплотнение вторичных волокон, однако при этом увеличивается объем мелких пор радиусом 0,06-2 мкм, находящиеся между первичными волокнами, вследствие чего происходит увеличение микропористости материалов.
Однако в «слабом» режиме происходит разделение пучков волокон. Разделение пучков волокон способствует росту показателя относительного удлинения на 13%, при этом прочность материала увеличивается незначительно.
Следовательно, при обработке ассортимента натуральных кожевенных материалов в «слабых» режимах энергии ионов достаточно для разрыва поперечных водородных связей и связей, образованных силами Ван-Дер-Ваальса между вторичными волокнами. Вследствие разрыва поперечных связей также происходит разделение пучков волокон, что приводит к увеличению макропористости материала.
Таким образом, анализ режимов, при которых достигается максимальный эффект плазменного воздействия на поверхности кожевенных материалов показывает, что для достижения «сильных» режимов, которые связаны с существенным уплотнением пучков волокон и приводящим к уменьшению объема макропор с одновременной увеличением микропористости требуются более высокие значения энергии ионов.
© Г. Р. Рахматуллина - канд. техн. наук, доц. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, gulnaz-f@ yandex.ru; Г. З. Давлетгараева - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, [email protected].
