CC BY
38
ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 675:531.731.43
И. Ш. Абдуллин, Э. Ф. Вознесенский, И. В. Красина,
Г. Н. Кулевцов, Л. Р. Джанбекова, Е. И. Мекешкина-Абдуллина
ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ДЕФОРМАЦИЯМИ ВОЛОКНИСТЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ И ПОРИСТОСТЬЮ КОЖЕВЕННОГО МАТЕРИАЛА
ПРИ ВЧЕ-ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ
Ключевые слова: высокочастотная, плазма, структура, пористость, коллаген, волокно, фибрилла,
моделирование, деформация.
Статья посвящена исследованиям в области применения высокочастотной плазмы пониженного давления в кожевенном производстве. Приведены значения деформаций структурных элементов натуральной кожи соответствующие трем режимам плазменной обработки. Описана математическая модель, интерпретирующая сложную волокнистую структуру материала. На основе модели предложена методика расчета пористости.
Article is devoted to the researches in application of radio frequency plasma of the lowered pressure in leather production. Values of deformations of structural elements of a natural leather in three modes of plasma treatment are presented. The mathematical model of fibrous structure of a material is described. On the basis of the model the porousness calculation method is offered.
Обработка кожевенного материала в разряде высокочастотной плазмы пониженного давления позволяет осуществить объемную модификацию его волокнисто- пористой структуры [1].
Основными структурными образованиями кожевенного материала являются фибриллы коллагена, первичные и вторичные волокна. Процесс объемной ВЧЕ-плазменной модификации вызывает деформации элементов структуры, изменение их взаимной ориентации, и как следствие изменение пористости материала.
В качестве объекта исследований выбран кожевенный полуфабрикат «вет-блю» из шкур крупного рогатого скота (КРС). Определен режим плазменной обработки, приводящий к повышению обрабатываемости кожевенного материала в растворах и получению высокоэластичной кожи (I-й режим: С=0,04г/с, Р=13,3Па, /=5мин, Wp =1,2 кВт), определен режим, приводящий к снижению обрабатываемости материала и получению кож с пониженной эластичностью (II-й режим: С=0,04г/с, Р=13,3Па, /=5мин, Wp =1,8 кВт). Также определен режим, позволяющий получать материал, инертный к большинству обработок (IIIй режим: С=0,04г/с, Р=13,3Па, ^=5мин, Wp=2,0 кВт).
На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований рассчитаны деформации структурных элементов при разных режимах ВЧЕ-плазменной обработки. Предположено, что возникновение технологических эффектов в материале связано с преобразованиями его пористости. Сетчатый слой натурального кожевенного материала обладает двумя типами пор, порами в укладке первичных волокон (первичные поры, мик-ропоры) и поры между вторичными волокнами (вторичные поры, макропоры). Так как наглядно оценить соотношение уровней пористости материала и их изменения при ВЧЕ
плазменной модификации достаточно сложно, рассчитана модель структуры сетчатого слоя кожевенного материала.
Модель пористой структуры кожи описывает серийную модель пористого материала между гладкими цилиндрами, при моделировании пренебрегли изменением продольных размеров структурных элементов. Пористостью в данной модели принято соотношение площадей макроэлемента структуры размером 1 мм2 и суммы всех образующих его промежуточных элементов.
Деформации структурных элементов материала характеризуют коэффициенты К2, К1, Кф, Кф0, описывающие отношение поперечных размеров структурных элементов в
исходном образце и после ВЧЕ-плазменной обработки.
Кф0- коэффициент увеличения диаметра фибриллы;
Кф- коэффициент увеличения диаметра первичного волокна;
К1- коэффициент увеличения диаметра вторичного волокна;
К2- коэффициент увеличения диаметра макроэлемента.
Рассчитанные значения этих коэффициентов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения коэффициентов изменения размеров структурных элементов при ВЧЕ плазменной модификации «вет-блю» КРС в трех режимах
Режим обработки Коэффициент
о •в- Кф Кі К2
Ьй режим (Є=0,04г/с, Р=13,3Па, /=5мин, =1,2 кВт) 1 0,9841 1,1384 0,8926
П-й режим (С=0,04г/с, Р=13,3Па, £=5мин, =1,8 кВт) 1 0,9841 0,8934 1,1355
111-й режим (С=0,04г/с, Р=13,3Па, £=5мин, №р =2,0 кВт) 1 0,9841 0,8934 0,8644
Проведен расчет полной условной пористости трехуровневой модели пористой структуры кожи.
Полная условная пористость модели с учетом межфибриллярных пространств определяется как:
Пусл. = П2 + (1 - П2 ) ■ П1 +(1 - П2 - (1 - П2 ) ■ П>1 ) ■ П0 , (1)
где П1- первичная пористость (микропористость) кожевенного материала; П2- вторичная пористость (макропористость) кожевенного материала; П1- плотность вторичного волокна; П 0- условная плотность одного первичного волокна.
Геометрически наиболее целесообразной является равномерная укладка круглых элементов, со взаимным смещением на 600. На рисунке 1 представлен элементарный фрагмент такой укладки.
Таким образом, при /=0, рассматривается уровень фибрилл, при /=1- уровень первичных волокон, при /=2- уровень вторичных волокон.
Величины П2 и П1 можно выразить через соотношения б2, Х2 и б1, Х1, соответственно; или П2 = Цб2,Х2 ); П1 = Х1). Аналогичным образом можно выразить и величину П 0 :
п'о=т0,х0)=1
(2)
4(6о + Хо)2 ■ э1пао ’
где а0 - угол в укладке элементов.
Рис. 1 - Схема взаимного расположения элементов при моделировании волокнистой структуры (4/ - диаметр поперечного сечения структурного элемента /-го типа; X/ - размер пространств между элементами структуры /-го типа; - расстояние между центрами соседних структурных элементов /-го
типа)
Отсюда получаем, что соотношение (1) можно представить в виде:
Если учесть, что часть пор занято балластным веществом, введем коэффициент Р-коэффициент заполнения поры балластным веществом, 0<Г<1, тогда Ро - коэффициент заполнения межфибриллярных пространств; р1 - коэффициент заполнения пор между первичными волокнами; р2 - коэффициент заполнения пор между вторичными волокнами.
При учете коэффициентов Р выражение (3) примет вид:
Если при расчете учесть изменения размеров структурных элементов с коэффициентами К2, К1, Кф, Кф0 ; функциональную зависимость П', = ^/Х,) , удобнее было бы
преобразовать:
При подстановке коэффициентов К2, К1, Кф, Кф0 выражение (5) примет вид:
пУсЛ.=т2, х2)+(1 - т2, х2 )) ■ ^1, х, )+ + (1 - №2, Х2))• (1 - №1, Х^-Фо, Хо).
(3)
Пус,= (1 - р2) ■ Г62,Х2) + (1 - Р,) ■ (1 - т2,Х2)) ■ ф^х,) + + (1 - Ро) ■( - №2,Х2))(1 - ^^Х^-с/оХо).
(4)
Таким образом, исходя из соотношений (3), (6), условную пористость трехуровневой системы можно выразить как:
П = (1 - Г ) ■ f (К ■ К ■ К б ' К ■ К ■ К ■ К ■ б' ) +
''усл. ' 2/ '21'' ф0 *'ф *'1 и 2(контр.)’ *' ф0 *'ф *'1 *' 2 и 2(контр.)> ^
+ (1 — Г1) ■ (1 — ^ (Кф0 ■ Кф ■ К1 б 2(контр.) Кф0 ■ Кф ■ К1 ■ К2 ■ б 2(контр.))) '
■ ґ (К ■ К б ■ К ■ К ■ К ■ б' ) +
'2І''ф0 *'ф и 1(контр.) ф0 *'ф ''1 и 1(контр.у^
+ (1 — Ро) ■І1 — (2 (Кф0 ■ Кф ■ К1 б2(контр) Кф0 ■ Кф ■ К1 ■ К2 ■ б 2(контр.))) ■( — (2 (Кф0 ' Кф (1(контр.)’ Кф0 ■ Кф ■ К1 ■ б 1(контр.))
■ Ґ2 (Кф0 б0(контр.) Кф0 ■ Кф ■ б 0(контр.))’
(7)
А
при этом ґ2(бі,б'і )- функция взаимной ориентации элементов системы /-го уровня. Таким образом, формула (7) позволяет рассчитать трехуровневую пористую систему с любой закономерностью распределения элементов на разных уровнях структуры. Функция укладки элементов ґ2(бі,б'і ) может варьироваться в зависимости от уровня структуры, если укладка элементов на разных уровнях не одинакова.
При моделировании ґ2(бі,б'і ) приняли как:
4 ■ б'2 Біпа 0
(8)
На основе равенства (7) проведем расчет пористости «вет-блю» КРС при ВЧЕ-плазменной обработке в трех режимах. Путем варьирования коэффициентов Г0, Г1, Г2 получим значения первичной (микропористости), вторичной (макропористости) и суммарной пористости модели. Зависимость изменений первичной, вторичной и суммарной пористости материала от режимов ВЧЕ-плазменной обработки представлены на диаграмме (рис. 2).
Пористость
0,6 -|--------
0,5 —
0,4 —
0,3 —
0,2 —
0,1 —
0 —
Контрольный 1-й режим 11-й режим Ш-й режим
Режим ВЧЕ плазменной обработки
□ Суммарная пористость □ Вторичная пористость □ Первичная пористость
Рис. 2 - Расчетные параметры пористости кожевенного материала при разных режимах ВЧЕ-плазменной обработки
2
Таким образом, установлена математическая зависимость между режимами ВЧЕ-плазменной обработки, деформациями волокнистых элементов кожевенного материала и величиной его пористости на разных уровнях структуры. Полученное математическое описание может быть использовано для расчета пористости материала при разнообразных обработках, исходными данными могут служить результаты электронномикроскопических исследований.
Литература
1. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно - струйная обработка материалов при пониженном давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов.
- Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2000. - 348с.
© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, проректор по научной работе КГТУ; Э. Ф. Вознесенский - ас-сист. каф. конструирования одежды и обуви КГТУ; И. В. Красина - д-р техн. наук, проф. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ; Г. Н. Кулевцов -канд. техн. наук, доцент той же кафедры; Л. Р. Джанбекова - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; Е. И. Мекешкина-Абдуллина - канд. техн. наук, ассист. каф. физики КГТУ.
