Построение объемной геометрической модели пористой структуры сетчатого слоя кожи Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, И. В. Красина

ПОСТРОЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ СЕТЧАТОГО СЛОЯ КОЖИ

Ключевые слова: натуральная кожа, микроструктура, волокна, пористость,

моделирование, бинарный массив.

Статья посвящена описанию способа моделирования пористой структуры кожи. Предлагается построение дискретных моделей разных уровней структуры. Пористая структура представлена в виде трехмерного бинарного массива, созданного на основе объемной геометрической модели.

Keywords: natural leather, microstructure, fibres, porosity, modelling, binary array.

Article describes a way in modelling of porous structure of a leather. The discrete models of different levels of structure is offered. The porous structure is presented in the form of the three-dimensional binary array created on the basis of volume geometrical model.

Натуральная выделанная кожа - это материал, сочетающий в себе сложную армированную систему волокон и капиллярно-пористую структуру. Натуральная кожа обладает прекрасной пластичностью, прочностью, износо-, химо-, термостойкостью; вместе с тем, она газо-, паропроницаема и гигроскопична. Данные свойства обусловлены особенностями ее волокнистого строения.

Кожевая ткань шкуры животного представляет собой систему высокоупорядоченных фибрилл и волокон коллагена (как армирующего компонента), погруженную в аморфную матрицу из глобулярных белков, жиров и др. Невыделанная кожевая ткань пористостью, как таковой, не обладает. В процессах выделки происходит вымывание межволокон-ных веществ, а также химическое и физическое упрочнение волокон, что приводит к формированию пористости.

Волокнистую структуру кожи образуют хорошо различимые при микроскопии вторичные (рис. 1а) и первичные (рис. 1б) коллагеновые волокна, в свою очередь образованные из фибрилл, первоначальным элементом которых являются триплетные макромолеку-лярные спирали тропоколлагена.

Пористость кожи непосредственно связана с укладкой волокон. Так вторичные волокна при взаимном трехмерном переплетении образуют макропоры (1-50 мкм), первичные коллагеновые волокна, продольно упаковываясь внутри вторичных, образуют мезопо-ры (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 кон-

троля процессов выделки, модификации и качества готового материала, а также прогнозирования его эксплуатационных свойств необходимо подробное исследование структуры.

Рис. 1 - Микрофотографии сетчатого слоя краста КРС: а - вторичные волокна, х 100; б - первичные волокна, х 2000

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].

Структура кожевенного материала, начиная с микроструктуры - переплетений вторичных волокон и далее вглубь - укладки первичных волокон и фибрилл, рассмотрена в виде отдельных трехмерных дискретных моделей.

Наиболее сложную пространственную ориентацию имеет укладка вторичных коллагеновых волокон дермы. Взаимная укладка вторичных волокон и их наклон к поверхности зависят от топографии рассматриваемого участка дермы. В качестве характерного угла наклона волокон к поверхности шкуры выбран угол в 12,50.

На первом этапе моделировались переплетения вторичных волокон цилиндрическими элементами. Моделировались направляющие (оси) цилиндров - прямые в трехмерном пространстве. Относительно плоскости направляющие расположены под углом 12,50, между собой проекции направляющих на ХОУ образуют угол в 1200. Далее область построения заполнялась цилиндрами, поверхности которых взаимно расположены по касательным и без пересечений, до получения равномерной укладки.

При рассмотрении такой структуры в плоскости ХОУ укладка не обеспечивает сплошности перекрытия, что существенно снижает адекватность модели реальной геометрии волокнистой структуры дермы. Для уплотнения структуры цилиндры уплощены до получения в сечении эллипса и входят в пересечение на 10 %.

Затем, чтобы разделить объем модели на занимаемый материалом и порами, модель аппроксимировалась, полые оболочка структуры заполнялась единицами, а поры нулями. Вырезался прямоугольный фрагмент ЛХ^ЛУ^ЛХ наиболее характерного участка переплетений (рис. 2). Таким образом, структура материала представлена в виде трехмерного бинарного массива В заданного размера ЛХ^ЛУ^ЛХ.

Рис. 2 - Модель фрагмента пористой структуры при переплетении вторичных волокон дермы

Данное представление структуры позволяет рассчитать пористость модели путем деления суммы элементов О на количество ячеек: 'Е(В) /ЛХ^ЛУ^ЛХ (макропористость модели составляет 61 %).

На втором этапе моделировался фрагмент вторичного волокна и взаимная укладка в нем первичных волокон (рис. 3). Угол наклона вторичного волокна к плоскости XOY задан таким же, как и в первой модели, по тому же алгоритму определялась и пористость вторичного волокна (~ 19 %). Если учитывать два уровня пористости суммарная пористость модели определяется по формуле [3]:

I опё. = 1 2 + (1 _ I 2) • I '1, (1)

где П2 - макропористость образца; П’1 - пористость одного вторичного волокна. Пористость модели составляет 68,4 %.

Рис. 3 - Модель фрагмента вторичного волокна дермы

На основе данных порометрии и микроскопических исследований модель может быть адаптирована к структуре любой кожи за счет изменения размеров первичных и вторичных волокон, межволоконных пространств, а также угла наклона вторичных волокон к поверхности.

На основе представленной модели может быть рассмотрена сорбция обрабатывающих растворов [4] при выделке кожи, а также пара-, газообменные процессы. Отличительной особенностью данной модели в сравнении с моделями из полых оболочек является наличие ячеек, занимаемых массами материала. При доработке модель может быть применена для иллюстрации качественных изменений внутри материала и их локализации в его объеме.

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

4. Гуриков, П.А. Моделирование структуры пористого тела и диффузии в нем активных веществ / П.А. Гуриков, А.В. Колнооченко, Н.В. Меньшутина // Изв. вузов. Химия и хим. технология. -2009, Т. 52, Вып. 12. - С. 131-132.

© Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, [email protected]; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, [email protected]; И. В. Красина - д-р техн. наук, зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КГТУ, [email protected].