CC BY
82
Г. Г. Лутфуллина
РАЗРАБОТКА ПЕНЕТРИРУЮЩИХ СОСТАВОВ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВЫДЕЛКИ МЕХОВОЙ ОВЧИНЫ
Ключевые слова: пенетрирующие составы, дисперсии полимеров акрилового ряда, отмока, меховая овчина. рenetrating compounds, dispersion polymers of acrylic series, soaking, fur
sheepskin.
Разработаны и испытаны пенетрирующие составы для обработки меховой овчины, определена стадия обработки пенетрирующими составами, исследованы характеристики свойств меха, полученного с применением дисперсий полимеров акрилового ряда.
Are developed and tested the penetriruyushchie compositions for treating the fur sheepskin, is determined the stage of working by the penetriruyushchimi compositions, are investigated the characteristics of the properties of the fur, obtained with the application of dispersions of the polymers of a acrylic number.
Введение
Внедрение современных технологий обработки пушно-мехового сырья с использованием высокоэффективных химических материалов, направленных на улучшение качества полуфабриката и получение готовой продукции, соответствующей уровню мировых стандартов, а также обеспечение экологической безопасности производства не теряет своей актуальности. Поэтому данная работа, посвященная вопросу разработки технологии получения мехового полуфабриката, а именно, меховой овчины высокого качества с использованием нетоксичных дисперсий полимеров акрилового ряда, является актуальной. Объем переработки данного вида сырья в меховой промышленности России занимает доминирующее место, в связи с чем избранное направление исследований имеет существенное практическое значение для меховой отрасли.
Технология мехового производства от начальных стадий до отделки полуфабриката базируется на использовании различных химических материалов. Как правило, используются их композиции, в которые входят как основные, так и вспомогательные реагенты. К таким добавкам и относятся полимерные добавки.
Цель данной работы - разработать пенетрирующие составы для повышения качества выделки меховой овчины, определить стадию обработки меха пенетрирующими составами, исследовать характеристики свойств меха, полученного с применением дисперсий полимеров акрилового ряда.
Для получения мехового полуфабриката с улучшенным комплексом эксплуатационных и технологических характеристик предлагается использование нетоксичных дисперсий полимеров акрилового ряда с размером частиц до 100 нм, что соизмеримо с размерами частиц белка, а именно - ПАМ, Акваплена, Латекса PR 3500, Finndisp A05, Compaund, Лакротэнов Э-241 и Э-61.
Экспериментальная часть и обсуждение результатов
Объектом исследования являются: дисперсии полимеров акрилового ряда, растворители, поверхностно-активные вещества (ПАВ), пенетрирующие составы, шкуры меховой овчины.
Дисперсии полимеров обладают большой функциональностью благодаря наличию в их строении свободных карбоксильных, сложноэфирных, амидных, нитрильных и других
групп, что позволяет предположить высокое их структурирующее действие, а также хорошую совместимость с коллагеном кожевой ткани (КТ) и кератином волосяного покрова (ВП) меховых шкурок.
Для облегчения диффузии полимеров внутрь дермы меховых шкурок использовали их в пенетрирующих составах, состоящих из органического растворителя с водным раствором ПАВ. Использовался ряд хорошо совместимых со многими реагентами и легко смешивающимися с водой, органических растворителей различной химической природы, обладающих пенетрирующими и антибактериальными свойствами - диметилсульфоксид (ДМСО), диметилформамид (ДМФА), изопропиловый спирт, диоксан. В качестве ПАВ использовали Неонол АФ 9-12.
Установлено, что различная химическая природа как растворителей, так и дисперсий полимеров оказывает существенное влияние на их совместимость. Растворитель способствует либо растворению дисперсий полимеров, либо мгновенному их осаждению. Добавка ПАВ в систему «органический растворитель - дисперсия полимера» способствует образованию однородных коллоидных растворов.
Оптимальным соотношением дисперсии полимера и органического растворителя является 1:5.
Установлено, что свойства пенетрирующих систем зависят от порядка смешения компонентов, которые должны быть добавлены в следующей последовательности: вода ^ ПАВ ^ органический растворитель ^ дисперсия полимера. При изменении порядка смешения компонентов происходит осаждение полимеров.
С целью определения оптимального способа введения полимеров в КТ меха и установления стадии обработки меха, на которой целесообразнее всего их добавлять, полимеры использовались как самостоятельно, так и в пенетрирующих составах на стадиях отмо-ки, пикелевания и дубления [1].
Способы введения полимеров рассматривали на примере ПАМ, концентрация которого варьировалась в пределах 0,5-3,0 г/дм3.
Результаты экспериментов позволяют установить, что при использовании ПАМ в количестве 1 г/дм3 наблюдаются достаточное содержание влаги (71%) и наименьшая степень бактериальной зараженности. При этом наличие или отсутствие смачивателей, обост-рителей и антисептиков не играет решающей роли. Дальнейшее увеличение концентрации ПАМ до 3 г/дм3 затрудняет обводнение (63%) и ведет к возникновению такого порока, как смолистость ВП и КТ. Таким образом, оптимальной концентрацией ПАМ на данной стадии является 1 г/дм3.
В случае использования ПАМ в составе пенетрирующей системы, органическим растворителем в которой служил ДМСО с концентрацией 5 г/дм3, вне зависимости от концентрации полимера, также наблюдается слабая степень бактериальной зараженности и отмечаются наиболее высокие значения влагосодержания (75,5%) в сравнении с образцами, обработанными только ПАМ.
ПАМ в отмочном растворе растворяется полностью не сразу, требуется определенное время. Установлено, что присутствие ДМСО ускоряет этот процесс. Использование ДМСО в сочетании с ПАМ в количестве 3 г/дм3 предотвращает появление смолистости. Следует отметить, что использование ДМСО более 5 г/дм3 и применение ПАМ более 1 г/дм3, существенного влияния на процесс отмоки не оказывает, а только ведет к перерасходу компонентов, тем самым, удорожая готовую продукцию. Таким образом, оптимальными концентрациями ПАМ и ДМСО на данной стадии являются 1 и 5 г/дм3, соответственно.
Результаты испытаний ПАМ в процессе отмоки показали, что наиболее целесообразным является использованием ПАМ в составе пенетрирующей системы.
Использование ПАМ в пенетрирующем составе на стадии отмоки положительно сказывается и на последующих обработках. Так, температура сваривания (Тсв) КТ опытных образцов шкур после пикелевания в сравнении с контрольными значениями, уменьшается на 5 С. Это свидетельствует о наиболее глубоком разделении структурных элементов дермы опытных образцов после пикелевания. В процессе дубления значительно увеличивается скорость диффузии дубителя в дерму. При этом в сравнении с контрольным образцом увеличиваются выбираемость хромового дубителя из рабочего раствора на 44%, содержание хрома в КТ на 35%. Увеличивается предел прочности при растяжении КТ на 73%.
Исследования влияния ПАМ как самостоятельно, так и в пенетрирующем составе на стадии пикелевания и дубления привели к следующим результатам: в процессе пикеле-вания произошло забивание пор КТ, что, в свою очередь, препятствовало разделению структурных элементов дермы в процессе пикелевания. При дублении процесс диффузии дубителя в толщу дермы был затруднен. В сравнении с контрольными образцами уменьшилась общая выбираемость дубителя из раствора на 20-24%, снизилось содержание хрома в КТ на 23-25% и как следствие, наблюдались невысокие значения Тсв. и предела прочности при растяжении КТ полуфабриката. Ухудшился внешний вид ВП.
С целью оптимизации соотношения ПАВ, ПАМ и ДМСО, при котором пенетри-рующая система способна максимально эффективно работать использовали метод математического планирования эксперимента.
Факторами исследования являлись относительные концентрации компонентов (г/дм3) пенетрирующей системы, а именно, ПАВ (Х1), ПАМ (Х2), ДМСО (Х3). Поскольку обработка пенетрирующим составом влияет на физико-механические показатели мехового полуфабриката, то в качестве выходной переменной выбраны Тсв пикелеванных шкур (Уі, 0С) и предел прочности при растяжении КТ мехового полуфабриката (У2, МПа).
На основе результатов расчета для оптимизации количественного состава пенетри-рующей системы построены кривые равных значений свойств на плоскости правильного симплекса, что позволяет провести оптимизацию графическим методом из совместного
рассмотрения двух диаграмм (рис. 1,2).
0,05 о 0,83
/52 \
ПАВ / \ ДМСО
/53 \
/ 54 \
/ 55
/ 56
Т 57 \
0,25 ННЯ 0,63
0,32
Рис. 1 - Влияние соотношения компонентов пенетрирующей системы на температуру сваривания пикеле-
Рис. 2 - Влияние соотношения компонентов пенетрирующей системы на предел прочности при растяжении мехового полуфабриката, МПа
Как следует из рисунков 1,2 наименьшее значение Тсв пикелеванных образцов и максимальное значение предела прочности при растяжении КТ мехового полуфабриката
ванных шкур, С
достигается при соотношении компонентов пенетрирующей системы ПАВ: ПАМ: ДМСО -
0,5 : 1,0 : 5,0, соответственно.
На основании проведенных исследований по изучению возможности использования в меховом производстве полимерных добавок в пенетрирующих составах на примере ПАМ и ДМСО, проведена работа по применению пенетрирующих систем на основе других дисперсий полимеров акрилового ряда и органических растворителей.
Экспериментальная проверка подтвердила целесообразность применения дисперсий полимеров акрилового ряда в пенетрирующих составах в установленном соотношении компонентов на стадии отмоки мехового сырья.
Установлено, что вид растворителя и полимера в составе пенетрирующей системы оказывают существенное влияние на характер протекания жидкостных процессов. Определен ряд пенетрирующих составов (табл. 1), обработка мехового сырья которыми способствует благоприятному протеканию преддубильных и дубильных процессов и получению полуфабриката с улучшенными прочностными характеристиками.
Обработка меховых шкурок на стадии отмоки пенетрирующими составами, представленными в таблице 1, способствует увеличению выбираемости дубителя в сравнении с контрольными образцами на 42-49%. В опытных образцах отмечаются и наиболее высокие значения температуры сваривания: 87-91 0С, что на 8-12 0С больше контрольных значений.
Таблица 1 - Пенетрирующие составы
Пенетрирующие составы
ДМСО + ПАМ + ПАВ;
Изопропиловый спирт + ПАМ + ПАВ;
Изопропиловый спирт + Акваплен + ПАВ;
ДМФА + Лакротэн Э-241 + ПАВ;
ДМФА + Лакротэн Э-б1 + ПАВ;
ДМФА + Compaund + ПАВ;
ДМФА + Finndisp A05 + ПАВ;
ДМФА + Латекс PR 3500 + ПАВ;
Диоксан + Compaund + ПАВ;
Диоксан + Акваплен + ПАВ.
Установлено, что увеличение показателей, характеризующих протекание процесса дубления, тесно связано с содержанием в КТ меховых шкурок полимеров, которые использовались в составе отмочного раствора.
Доказательством взаимодействия компонентов пенетрирующих систем с коллагеном дермы служат ИК-спектры гольевого порошка, которые снимали как после процесса отмоки, так и по окончанию процесса дубления.
В спектрах изучаемых систем в опытных образцах наблюдается уменьшение интенсивности полос поглощения в области частот 1646-1645см"1, характерных для колебаний С=О в ионизированных карбоксильных и аминных группах белка [2]. А также уменьшения интенсивности полос поглощения в области частот 3437-3441 см-1, отвечающих валентным колебаниям гидроксильных групп, связанных водородной связью, и ЫИ в аминных группах, что позволяет предположить взаимодействие данных групп белка с функциональными группами полимера.
В процессе дубления меховых шкурок, дубящие соединения взаимодействуют с соответствующими функциональными группами полимера и белка, в результате чего увеличивается количество связанного хрома, доказательством которого является увеличение значений содержания хрома в КТ полуфабриката опытных образцов, обработанных пенет-рирующими составами, в сравнении с контрольными значениями на 34-37%.
При взаимодействии связанного коллагеном полимера и хромового дубителя, функциональные группы полимера, проникая во внутреннюю сферу хромового комплекса, фиксируясь там, создают прочный каркас, возникновение которого способствует увеличению прочностных характеристик КТ мехового полуфабриката на б0-80%.
Благодаря возможному образованию пространственных структур «коллаген-дубитель-полимер-коллаген» или «коллаген-полимер-дубитель-полимер-коллаген» упрочняется структура дермы и в значительной мере у опытных образцов укрепляется связь волоса с КТ. Образующиеся дополнительные пространственные структуры вызывают большее «сжатие» волосяной сумки, приводя к более сильному закреплению волоса в дерме.
Установлено, что механическая прочность мехового полуфабриката, вне зависимости от способа введения полимеров в КТ возрастает при сохранении ее эластичных свойств. Удлинение испытуемых образцов меховой овчины составляет 42-47%, что в пределах гостируемых норм (не менее 30%).
Для подтверждения фиксации полимера в работе также использовался количественный метод по определению его содержания в КТ полуфабриката.
В ходе проведения анализов по определению содержания полимеров в КТ мехового полуфабриката прослеживается закономерность, - чем меньше размер частиц полимера, тем больше его количество содержится в КТ. При использовании полимера в пенетри-рующих составах размер частиц в указанном диапазоне, как критерий связывания полимера с коллагеном, нивелируется.
Установлено, что у образцов, содержащих наибольшее количество полимера, в процессе дубления наблюдаются увеличение скорости диффузии дубителя внутрь дермы и выбираемость его из дубильного раствора, наиболее высокие значения содержания хрома в КТ и Тсв дубленых шкурок, значительно укрепляются связь волоса с дермой и общий предел прочности при растяжении при сохранении эластичности КТ.
Измерение пористости КТ контрольных и опытных образцов меховых шкурок показало незначительную разницу в значениях, это говорит о том, что обработка на стадии от-моки полимерами в составе пенетрирующих систем в найденном соотношении компонентов не способствует забиванию пор.
Установлено, что обработка меховых шкурок на стадии отмоки исследуемыми пе-нетрирующими системами способствует увеличению устойчивости волоса опытных образцов к действию разбавленных щелочей на 29-37%.
Заключение
Таким образом, результаты исследований показали целесообразность применения дисперсий полимеров акрилового ряда в меховом производстве для получения полуфабриката с улучшенным комплексом эксплуатационных и технологических характеристик.
Разработана технология получения меховой овчины с использованием дисперсий полимеров акрилового ряда в пенетрирующих составах, позволяющие получить полуфабрикат с улучшенными потребительскими свойствами. Для обработки меховой овчины предлагается использование на стадии отмоки пенетрирующего состава на основе отечественных недорогих и доступных химических материалов, а именно ПАМ и изопропилового спирта с водным раствором ПАВ.
Внедрение данной технологии позволит получить полуфабрикат с повышенными значениями химических и физико-механических показателей по сравнению с контрольными: увеличение температуры сваривания составит 10%, выбираемость хромового дубителя - 40-42%, предел прочности при растяжении КТ - 52-55%, устойчивость ВП к действию разбавленной щелочи - 25-27%.
Работа выполнена в соответствии с Государственным контрактом № 02.552.11.7070 от 02.10.2009 на выполнение научно-исследовательских работ по теме «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области модификации композитных материалов с использованием электрофизических, электрохимических, сверхкри-тических флюидных методов в центре коллективного пользования научным оборудованием «Наноматериалы и нанотехнологии».
Литература
1. Островская, А.В. Влияние химических добавок на процесс производства меховой овчины / А.В. Островская, Р.Р. Ганеева, И.Ш. Абдуллин // Кожевенно-обувная промышленность. - 2005. -№1. - С.34-36.
2. Смит, А. Прикладная ИК-спектроскопия / А.Смит. - М.: Мир, 1982. - 328 с.
© Г.Г. Лутфуллина - канд. техн. наук, доц. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, [email protected]
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 1.06.09 по 31.01.10
