Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов повышения качества мехового полуфабриката и перспективы их развития в процессе производства меха 12
1.1 Общая схема технологического процесса производства мехового полуфабриката 12
1.2 Современные методы в производстве мехового полуфабриката 21
1.3 Электрофизические методы модификации натуральных высокомолекулярных материалов в процессе производства меха 40
1.4 Методы определения структуры пористых материалов 47
1.5 Задачи диссертации 58
Глава 2. Описание плазменной установки и методик проведения эксперимента 60
2.1 Описание высокочастотной плазменной установки и методики обработки в ней объектов исследования 60
2.2 Выбор объектов исследования 72
2.3 Методики проведения исследований характеристик мехового сырья и полуфабриката 75
2.4 Методы статистической обработки результатов экспериментов 82
Глава 3. Экспериментальные исследования влияния неравновесной низкотемпературной плазмы, создаваемой разрядом емкостного типа, на характеристики кожевои ткани в технологии получения мехового полуфабриката 84
3.1 Влияние потока ВЧЕ разряда на химические и физико-механические характеристики кожевой ткани меховой овчины в подготовительных процессах и на стадии выделки 84
3.2 Структурные изменения кожевой ткани меховой овчины в технологии получения мехового полуфабриката с применением плазменной обработки 95
3.3 Влияние потока ВЧЕ разряда на химические и физико-механические характеристики кожевой ткани шкур северного оленя в подготовительных процессах и на стадии выделки 102
Глава 4. Разработка рекомендаций по внедрению в промышленное производство высокочастотной плазменной обработки перед подготовительными процессами и на стадии выделки 109
4.1 Разработка опытно-промышленной высокочастотной плазменной установки для обработки меховых шкурок 109
4.2 Разработка технологических процессов получения мехового полуфабриката с применением низкотемпературной плазмы пониженного давления 114
4.3 Влияние обработки мехового материала в низкотемпературной плазме пониженного давления на характеристики готового полуфабриката 123
Выводы 126
Литература 128
Приложение
- Электрофизические методы модификации натуральных высокомолекулярных материалов в процессе производства меха
- Методики проведения исследований характеристик мехового сырья и полуфабриката
- Структурные изменения кожевой ткани меховой овчины в технологии получения мехового полуфабриката с применением плазменной обработки
- Разработка технологических процессов получения мехового полуфабриката с применением низкотемпературной плазмы пониженного давления
Введение к работе
В условиях отечественной рыночной экономики спрос на меховые изделия ежегодно изменяется. В настоящее время, основной задачей мехового комплекса России по-прежнему является выпуск конкурентоспособной продукции. Одним из путей решения указанной проблемы является разработка и внедрение технологий, направленных на повышение производительности труда, улучшение качества мехового полуфабриката, снижение расхода химматериалов и загрязненности сточных вод, а также расширение ассортимента продукции.
Традиционные методы совершенствования технологий получения мехового полуфабриката не позволяют достигнуть комплексного улучшения характеристик последнего, так как достижение улучшения заданных свойств сопровождается ухудшением других. Также, традиционные технологии, основанные на использовании химических веществ, ограничены, поскольку их применение не снимает проблему загрязнения окружающей среды.
В последнее время большую актуальность приобретают электрофизические методы модификации натуральных высокомолекулярных материалов (ВММ), среди которых перспективным является метод обработки потоком высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления, воздействие которого определяется технологическими параметрами плазмы. При этом необходимо учитывать химическую природу и строение обрабатываемого материала. Преимущество высокочастотных плазменных методов обработки заключается в том, что они приводят к изменению надмолекулярной структуры коллагена, оставляя в неизменности его химический состав.
В связи с этим представляют интерес исследования применения обработки мехового материала высокочастотной (ВЧ) плазмой перед подготовительными
процессами и перед дублением технологии получения мехового полуфабриката.
Работа направлена на решение актуальной проблемы - создание технологий производства мехового полуфабриката с улучшенными технологическими показателями, за счет воздействия на натуральные высокомолекулярные материалы потоком низкотемпературной плазмы.
Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете в рамках научно-исследовательской работы 1.01.03Д по теме «Взаимодействие высокочастотного разряда с капиллярно-пористыми структурами» 2003 г. и при поддержке гранта АН РТ по теме «Высокочастотная плазменная струйная обработка твердых тел сплошной и капиллярно-пористой структур» 2003 - 2004 гг., а также в соответствии с тематическим планом НИР Казанского государственного технологического университета в рамках направлений программы «Концепция развития мехового комплекса России на 1999-2005 гг.».
Цель и задачи работы. Целью являлась разработка технологий получения мехового полуфабриката из шкур меховой овчины и северного оленя с применением объемной модификации кожевой ткани в потоке ВЧЕ разряда пониженного давления, позволяющей повысить эксплутационные показатели и интенсифицировать технологические жидкостные процессы. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. обоснование возможности модификации мехового полуфабриката путем
обработки в потоке НТП пониженного давления.
2. исследование взаимосвязи основных свойств кожевой ткани мехового
сырья, отвечающих за структурирование дермы, от режимов плазменной
обработки, проводимой перед подготовительными процессами и дублением в
технологии получения мехового полуфабриката.
3. определение корреляционной зависимости между наилучшим режимом
плазменной обработки, соответствующим ему значением пористости и физико-
механическими и химическими показателями мехового полуфабриката.
4. разработка технологии производства мехового полуфабриката с
применением плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления.
Методы исследований. В работе для решения поставленных задач использовались современные и стандартные методики, их результаты сравнивались и сопоставлялись с известными экспериментальными и теоретическими данными других авторов.
Объектами исследований являлись кожевая ткань меховой полутонкорунной, полушерстной овчины мокросоленого способа консервирования и шкур северного оленя сухосоленого способа консервирования в сырье и полуфабрикате.
Оценка закономерностей воздействия НТП на свойства сырья и полуфабриката включала применение методов определения степени обводнения, температуры сваривания, пористости, а также химических и физико-механических свойств в соответствии с существующей нормативно-технической документацией. Для исследования структуры кожевой ткани использовали методы: ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии.
Результаты измерений и исследований обрабатывались с применением методов математической статистики.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что плазменная обработка позволяет регулировать эксплуатационные показатели мехового полуфабриката в результате: разволокнения кожевой ткани между коллагеновыми пучками и волокнами, и конформационных изменений, приводящих к упорядочиванию структуры дермы.
Найдены режимы плазменной обработки сырья шкур меховой овчины и северного оленя, увеличивающие сорбционную способность кожевой ткани, что положительно сказывается на жидкостных процессах технологии получения мехового полуфабриката.
Установлена возможность улучшения эксплутационных характеристик полуфабриката северного оленя за счет объемного воздействия потока ВЧЕ разряда пониженного давления на кожевую ткань: повышение температуры сваривания на 3 С, предела прочности при растяжении (на 9-10%), относительного удлинения при разрыве (на 5-6 %), значения пористости (на 14- 15%).
Установлено, что применение полимера (акриловой эмульсии М-1) и плазменной обработки в технологии получения полуфабриката из шкур северного оленя приводит к укреплению связи волоса с кожевой тканью и улучшению эксплутационных характеристик мехового материала: повышение температуры сваривания на 5-6 С, предела прочности при растяжении (на 12-13 %), относительного удлинения при разрыве (на 16-17%), значения пористости (на 27 - 28 %).
Определены режимы плазменной обработки полуфабриката меховой овчины, позволяющие регулировать показатели гидрофильных и гидрофобных свойств. Обработка полуфабриката в режиме Gapioll=0,04 г/с, ,Р=13,3 Па, Wp=\,3 кВт, т=3 мин приводит к увеличению гидрофильности материала -повышается сродство кожевой ткани к влаге. При этом значение намокаемости увеличивается на 67%. Обработка в режиме С/аргон=0»04 г/с, Р=\3,3 Па, Wp=\,S кВт, т=5 мин. повышает гидрофобизацию поверхности кожевой ткани (намокаемость уменьшается на 27 %).
Практическая значимость работы.
1. Разработаны технологии получения мехового полуфабриката из шкур северного оленя и меховой овчины с применением плазменной обработки, позволяющей повысить эксплутационные показатели материала (значение
9 температуры сваривания на 3-6С, предела прочности при растяжении -на 10 - 13 %, пористости - на 13 - 28 %).
Установлены параметры плазменной обработки, позволяющие интенсифицировать жидкостные процессы в технологии получения полуфабриката из шкур северного оленя: 6^,-0..=0,04 г/с, Р=13,3 Па, Wp=\,3 кВт, т=3 мин. Продолжительность жидкостных процессов сокращается на 20 - 30 %.
Установлены параметры плазменной обработки, позволяющие интенсифицировать жидкостные процессы технологии получения мехового полуфабриката из шкур меховой овчины: Gapr0„= 0,04 г/с, Р= 13,3 Па, Wp= 1,3 кВт, т= 5 мин. Продолжительность жидкостных процессов сокращается на 20 - 30 %.
4. Разработаны рекомендации для применения НТП пониженного давления
в процессах технологии получения мехового полуфабриката, заключающиеся в
том, что целесообразно проводить плазменную обработку сырья перед
подготовительными процессами и перед дублением.
5. Разработана опытно-промышленная ВЧ плазменная установка,
позволяющая проводить партионную обработку меховых шкурок НТП
пониженного давления.
На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:
1. Результаты экспериментальных исследований воздействия потока ВЧ
плазмы пониженного давления на кожевую ткань в жидкостных процессах
технологии получения мехового полуфабриката показывающие, что плазменная
обработка не вызывает деструкции тропоколлагена, а сопровождается
изменением надмолекулярной структуры, что подтверждается результатами ее
исследований методами ИК-спектроскопии, рентгеноструктурным анализом,
электронной микроскопией, а также химическими и физико-механическими
свойствами кожевой ткани полуфабриката.
2. Результаты экспериментальных исследований технологических
характеристик полуфабриката шкур северного оленя, с использованием
10 плазменной обработки сырья перед отмокой и дублением. Показатель температуры сваривания кожевой ткани увеличивается на 3 - 6 С, повышается предел прочности при растяжении (на 10- 13 %) и относительное удлинение при разрыве (на 6-17 %).
3. Результаты экспериментальных исследований технологических
характеристик некрашеного полуфабриката меховой овчины, с использованием
плазменной обработки сырья перед подготовительными процессами и
дублением. Показатель температуры сваривания кожевой ткани увеличивается
на 4-5 С, предел прочности при растяжении повышается на 10-11 %,
относительное удлинение при разрыве - на 8 - 9 %.
Результаты обработки полуфабриката меховой овчины НТП в режиме 6^(0.1=0,04 г/с, Р=13,3 Па, Wp=\,3 кВт, х=Ъ мин., позволяющим регулировать гидрофильные свойства кожевой ткани. При этом намокаемость увеличивается на 67 %. Обработка в режиме (7ар[О11=0,04 г/с, ^=13,3 Па, Wp=\,8 кВт, г=5 мин. придает гидрофобные свойства. Значение намокаемости снижается на 24 %.
Технологические процессы производства мехового полуфабриката из шкур меховой овчины и северного оленя с применением ВЧ плазменной обработки сырья перед процессом отмоки и дублением, позволяющие сократить продолжительность жидкостных процессов на 20 - 30 %.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит: в выборе и обосновании методик экспериментов; непосредственном участии в проведении экспериментов; в анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов; в разработке рациональных технологий получения мехового полуфабриката с применением плазменной обработки, рекомендуемых для внедрения в промышленное производство.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. В тексте приведены ссылки на 196 литературных источника. Работа изложена на 150 стр. машинописного текста, содержит 22 рисунка, 14 таблиц.
В первой главе описана общая принципиальная схема многостадийного процесса переработки мехового сырья в полуфабрикат. Приведен обзор современных методов совершенствования технологий получения мехового полуфабриката. Представлен обзор и анализ электрофизических методов модификации натуральных высокомолекулярных материалов. Обоснована эффективность воздействия НТП пониженного давления, как на волокна животного происхождения, так и на натуральные капиллярно-пористые материалы в кожевенно-меховом производстве. Представлен краткий обзор методов порометрии, применяемых для определения параметров пористой структуры материала. Сформулированы задачи диссертации.
Во второй главе приведено описание экспериментальной ВЧ плазменной установки и ее характеристик. Рассмотрен процесс воздействия НТП на натуральные ВММ, с учетом их капиллярно-пористой структуры. Обоснован выбор объектов исследования. Описаны методики проведения экспериментальных исследований по определению характеристик мехового сырья и полуфабриката. Приведена методика оценки погрешностей измерений.
В третьей главе установление закономерностей воздействия НТП на свойства кожевой ткани в сырье и полуфабрикате включало применение методов определения содержания влаги; температуры сваривания, пористости, а также химических и физико-механических свойств в соответствии с существующей нормативно-технической документацией. Для исследования структуры кожевой ткани использовали метод инфракрасной спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии.
В четвертой главе приводится описание опытно-промышленной ВЧ плазменной установки для обработки меховых шкурок. Разработаны технологические процессы получения мехового полуфабриката из шкур меховой овчины и северного оленя с применением низкотемпературной плазмы пониженного давления.
Электрофизические методы модификации натуральных высокомолекулярных материалов в процессе производства меха
Основным направлением в совершенствовании технологий получения мехового полуфабриката, для уменьшения остроты указанных проблем, является изыскание возможностей снижения трудоемкости за счет применения более современного и высокопроизводительного оборудования, сокращения временных затрат и уменьшения расхода химических материалов; использования новых нетрадиционных способов улучшения качества мехового полуфабриката; снижения экологической нагрузки на окружающую среду, а также материальных затрат.
В качестве альтернативы механическим, химическим методам модификации натуральных ВММ, в последние годы особую значимость приобретают электрофизические методы, как наиболее эффективные и экономичные, а в некоторых случаях и единственно возможные.
К электрофизическим методам обработки материалов относятся методы изменения свойств обрабатываемых поверхностей, происходящие под воздействием: электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, электрического или оптического излучения, высокоэнергетических импульсов и магнитофрикционного эффекта, а также плазменной струи [90, 91].
Отличительной особенностью этих методов обработки является: - возможность модификации материалов различной природы с любыми физико-механическими, физико-химическими свойствами; - использование электрической энергии непосредственно в рабочей зоне через химические, тепловые и механические воздействия [92 - 94]; - возможность механизации и автоматизации основных технологических и вспомогательных процессов. Одним из электрофизических методов модификации натуральных ВММ, нашедшим применение в легкой промышленности, является ультразвуковое воздействие, получаемое с помощью гидро- или аэродинамических, магнитострикционных, пьезоэлектрических и электромеханических преобразователей [95]. В ряде работ изучена возможность использования ультразвуковой (УЗ) обработки в отмочных процессах [96] и процессах выделки [97-100] в производстве натуральной кожи. Установлено, что УЗ воздействие на коллагенсодержащие композиции приводит, в кожевенной технологии, к улучшению качественных показателей кожи, снижению удельных расходов основных и вспомогательных химических материалов, в меховой промышленности - к увеличению устойчивости волосяного покрова меховых шкурок к факторам внешнего воздействия [101]. Применение УЗ в жидкостных операциях повышает скорость диффузии химических реагентов вглубь кожевой ткани [102], в результате возникновения потоков и кавитации, что позволяет сократить производственный цикл [103]. При жировании УЗ облучение кож само по себе мало эффективно, но в комбинации с обычным механическим перемешиванием позволяет повысить содержание жира и улучшить его распределение по толщине. Увеличение числа продуба - гигротермической устойчивости, при воздействии на голье в процессе дубления растительными дубителями и УЗ колебаниями, экспериментально подтверждается в работах [104, 105]. Применение УЗ активации при дублении [106, 107], обеспечивает снижение расхода основных и вспомогательных материалов, способствует интенсификации процесса. В работе [108] результаты продубленности кожевой ткани показали, что разрывная нагрузка опытных образцов увеличивается на 20 - 40 %, относительное же удлинение уменьшается в тех же пределах. По результатам проведенных авторами исследований [98, 99] было установлено, что с увеличением времени ультразвукового воздействия происходит рост размеров хромовых комплексов. Сделано предположение, что основным фактором ускорения процесса дубления является ортокинетический эффект - принудительное увеличение частиц дубителя средой под действием УЗ поля. Однако, связывание большей части дубителя с коллагеном на поверхности кожевой ткани меха дает значительное повышение температуры сваривания, но в тоже время - не высокий предел ее прочности при разрыве. Отмечается, что при крашении действие УЗ эффективнее [109, ПО], чем механическое воздействие, за счет вращения барабана. Проведенными исследованиями [100] доказана зависимость влияния УЗ поля на систему красителей от режима воздействия и применяемого диапазона частот. Ультрафиолетовым (УФ) облучением ртутно - кварцевой лампы высокого давления ДРТ - 1000 при интенсивности УФ излучения 20 Вт/м" возможно увеличение адгезионной прочности полимерных покрытий на коже [111]. В работе [112] для повышения качества готовой кожи предложен способ нанесения на поверхность кожевой ткани пленки из латексов бутадиен-стирольных каучуков, с последующим ультрафиолетовым облучением. В ходе исследований установлено повышение прочности пленки на 30 %. Авторами установлено [113], что ультрафиолетовое облучение меха норки при комнатной температуре приводит к улучшению закрепления волоса и упрочнению кожевой ткани меха на 5-15%. Однако, при фотолизе одновременно происходит деструкция кератина волоса, что приводит к изменению окраски и блеска волосяного покрова. Следует отметить, что УФ облучение и УЗ обработка, сильно влияют на строение ВММ, изменяя его структуру, что является существенным недостатком данных методов.
Проводились исследования по применению такого вида электрофизического воздействия, как ионизирующее излучение, представляющее собой потоки электронов, протонов и нейтронов [114], гамма-излучение. Авторами установлено, что вследствие ионизирующего излучения кожевенного полуфабриката достигается повышение его стойкости к атмосферной коррозии, за счет стабилизации структуры и к биологической -вследствие стерилизации. Кроме того, эргономическое свойство кожи -паропроницаемость уменьшается на 24 - 26 %, теплопроводность практически не изменяется. При облучении кож гамма - лучами [115] и ускоренными электронами до поглощенных доз 5-30 кГр, происходит снижение коэффициента теплопроводности на 20 - 24 %. С увеличением дозы облучения до 30 кГр, отмечается дальнейшее структурирование дермы, но за счет образовавшихся, в результате разрыва, полипептидных связей. Увеличивается теплопроводность и слабо снижается паропроницаемость и пароемкость. Несмотря на повышение стойкости натуральных высокомолекулярных материалов к атмосферной коррозии за счет упрочнения, данные методы обработки сопровождаются нарушением их структуры.
Методики проведения исследований характеристик мехового сырья и полуфабриката
С целью обоснования возможности применения ВЧ плазмы пониженного давления для изменения заданных свойств натуральных меховых материалов, рассмотрен процесс ее воздействия на данные материалы, с учетом их капиллярно-пористой структуры.
В ВЧЕ разряде электроны, следуя за изменением знака электрического поля, совершают "качания" относительно малоподвижных ионов [167]. Плоский образец, помещенный в НТП, рассекает электронное облако на две части, каждая из которых продолжает совершать "качания" в своем промежутке. Таким образом, с противоположных сторон пластины поочередно создается слой положительно заряженных ионов.
В момент касания пластины электронным облаком соответствующая поверхность заряжается отрицательно до максимально возможного значения плавающего потенциала. В течение остального времени периода колебаний электронного облака, за счет рекомбинации электронов с бомбардирующими поверхность ионами, заряд этой стороны пластины постепенно уменьшается до некоторого минимального значения. Следовательно, в каждый момент времени заряды разных сторон пластины отличаются друг от друга. Отсюда следует, что внутри образца существует электрическое поле, обусловленное разностью электрических потенциалов, создаваемых плазменными слоями с разных сторон от его поверхностей.
Постоянный скачок ВЧ потенциала на слое положительного заряда, образующегося у поверхности капиллярно-пористого тела, равен -50-60 В. Максимальная разность потенциалов плазмы с противоположных сторон плоского образца составляет величину 80 В. Из чего следует, что амплитуда напряженности электрического поля, создаваемого этой разностью потенциалов внутри капиллярно-пористого тела, достигает величины (2,5-6,5)-10 В/м. Этого достаточно для пробоя газовых промежутков в капиллярах и порах. Следует отметить, что данная ситуация характерна именно для высокочастотного поля. Так, например, в постоянном электрическом поле тлеющего разряда, противоположные поверхности образца заряжаются до приблизительно одинакового потенциала вследствие чего, напряженность электрического поля внутри образца оказывается равной практически нулю.
Внутри микропоры, материалом стенок которой является, например, коллаген, существует газовая среда. Основной компонент газовой среды -используемый плазмообразующий газ. Учитывая разницу в плотности газовой среды и коллагена, можно считать, что диэлектрическая проницаемость газовой среды сх много меньше диэлектрической проницаемости микропоры 2, то есть (с,«е2). В силу общих свойств диэлектрических сред, электрическое поле в газовой среде внутри микропоры в єх раз меньше, чем поле, создаваемое аналогичным зарядом в вакууме; а электрическое поле в стенке микропоры в 2 раза меньше поля внутри микропоры (рис. 2.2), при этом 2/гї »1
Это означает, что распределение электрического поля внутри капиллярно-пористого тела сильно неоднородно, так как концентрируется преимущественно в микропорах.
Примем теперь во внимание, что из плазмы на поверхность капиллярно-пористого тела поступают потоки заряженных частиц - импульсно-периодический поток электронов (в момент касания электронным облаком поверхности тела) и непрерывный поток ионов, обладающих средней энергией 30 - 90 эВ.
Поскольку рассматриваемый объект является диэлектриком, то электроны, попавшие на его поверхность, не перераспределяются по ней, а остаются в месте попадания. При этом часть электронов попадает также и вовнутрь микропоры на глубину порядка ее радиуса и останется на стенках. Эти электроны, в силу специфики геометрии внутренней поверхности, искажают распределение электрического поля в окрестности микропоры, создавая локальную неоднородность размером порядка диаметра микропоры. Это означает, что открытые микропоры являются концентраторами электрического поля, на которые устремляются положительные ионы, ускоренные в электрическом поле слоя пространственного заряда. Ионы бомбардируют наружную поверхность микропор и с большой вероятностью залетают внутрь ее. Внутри капилляра ион может сталкиваться с нейтральным атомом и ионизировать его, либо рекомбинировать на стенке микропоры. Ион, рекомбинируя с электроном на внутренней поверхности микропоры с вероятностью у 0,3 выбивает из стенки микропоры вторичный электрон. Вторичный электрон, попадая в электрическое поле, созданное электронами, находящимися на стенке микропоры, может двигаться только вдоль микропоры. При этом электрон успевает в ВЧ электронном поле совершить достаточное количество столкновений и набрать энергию, необходимую для ионизации атомов. Электрон же, возникающий в результате ионизации, попадает в поле действия отталкивающих сил электронов, заселяющих стенки микропоры в область более слабого поля.
Таким образом, при обработке капиллярно-пористых тел в плазме ВЧ разряда внутри поддерживается несамостоятельный импульсно-периодический разряд, поскольку: а) в газе возникают свободные носители заряда (электроны и ионы) - возникает проводимость; б) в микропоре существует электрическое поле, сообщающее этим носителям направленное движение. Ионы, порождаемые этим разрядом, рекомбинируют на стенках микропор с выделением энергии рекомбинации, что приводит к модификации внутренней поверхности стенок микропор. Это означает, что при обработке капиллярно-пористых тел из высокомолекулярных материалов в плазме ВЧЕ разряда пониженного давления, в отличие от других видов газовых разрядов, возможно проведение объемной обработки.
Структурные изменения кожевой ткани меховой овчины в технологии получения мехового полуфабриката с применением плазменной обработки
В данной главе, для установления механизма воздействия неравновесной НТП, создаваемой разрядом емкостного типа, на кожевую ткань шкур меховой овчины и северного оленя, исследовались изменения химических, физико-механических и структурных свойств кожевой ткани. Найдены входные параметры высокочастотной плазменной установки, обработка в которых позволяет получить меховой полуфабрикат с улучшенными показателями качества [184 - 190].
Влияние потока ВЧЕ разряда на химические и физико-механические характеристики кожевой ткани меховой овчины в подготовительных процессах и на стадии выделки
Известно, что качество мехового материала во многом определяется химическими и физико-механическими характеристиками свойств полуфабриката, а также его способностью сохранять полученные свойства в период эксплуатации. В литературных источниках, где рассматривается модификации натуральных ВММ, отмечено широкое применение электрофизических методов [95-108, 112-115, 118-125], среди которых, в настоящее время, наибольший интерес находит обработка потоком неравновесной низкотемпературной плазмы, генерируемой высокочастотным разрядом пониженного давления.
В данной работе, для исследования влияния НТП пониженного давления на кожевую ткань, использовались образцы меховой овчины, плазменную обработку которых проводили в сырье и перед процессом дубления.
Изучение закономерностей воздействия НТП на сырье и полуфабрикат, в подготовительных процессах и на стадии выделки, проводилась с использованием методов определения содержания влаги, температуры сваривания, пористости, химических и физико-механических свойств.
Свойства коллагена, являющегося ограниченно набухающим в воде ВММ, определяются его химическим строением, видом активных групп и возникающими между ними связями, конформацией межмолекулярных цепей.
При модификации ВММ в потоке НТП, получение того или иного эффекта в большей степени зависит от режима обработки. На первой стадии исследований, определяли эффективность плазменной модификации по способности кожевой ткани сырья поглощать влагу. При этом определяли показатель двухчасовой намокаемости (рис. 3.1).
Обработка образцов проводилась при варьировании входных параметров ВЧ плазменной установки в следующих пределах: давление в рабочей камере Р = 13,3 - 26,6 Па, расход плазмообразующего газа (аргона) Gap,0H = 0,04 -0,06 г/с, мощность разряда Wp = 1,3 - 1,8 кВт, продолжительности обработки г = 3 - 7 мин. Как видно из рис. 3.1 наибольшее увеличение намокаемости происходит при мощности разряда 1,3 кВт и продолжительности обработки 5 минут. Кроме того, при проведении обработки в установленном режиме наблюдается снижение показателя температуры сваривания на 3-4 С. Это может свидетельствовать о частичном разволокнении надмолекулярной структуры коллагена, в результате ослабления водородных связей (прочность связи порядка 1 эВ) и связей, образованных силами Ван-дер-Ваальса, что также подтверждается микрофотографиями структуры дермы. Изменение данных показателей является результатом ряда процессов, обусловленных именно плазменной обработкой. Так при размещении капиллярно-пористого тела в потоке НТП пониженного давления, внутри пор, расположенных по объему, поддерживается несамостоятельный импульсно-периодический разряд [115]. Это способствует существенной трансформации пористой структуры дермы: переориентации внешних звеньев макромолекул под воздействием кулоновских сил; удалению загрязнений с поверхности шкуры (снижение содержания несвязанных жировых веществ с 14,8% до 13,1%, уменьшение содержания минеральных веществ с 29,2% до 27%); освобождению от межволоконных компонентов, состоящих из мукополисахаридов, альбуминов и глобулинов, которые в дальнейшем легко удаляются при промывке сырья. Справедливость сказанного подтверждается результатами по изменению пористой структуры кожевой ткани, для исследования которой был применен метод пикнометрии. Данные исследований показали, что значение пористости после плазменной обработки увеличивается в среднем на 7,7 %. Обработка сырья меховой овчины НТП в режиме: Gapr0ll= 0,04 г/с, Р= 13,3 Па, Wp= 1,3 кВт, г=5 мин. приводит к дополнительному разволокпению структуры дермы, что характеризуется снижением температуры сваривания и подтверждается данными электронной микроскопии. Таким образом, обработка в НТП уменьшает компактность переплетения структурных элементов дермы, что способствует увеличению сорбционной способности кожевой ткани (рис 3.2). Из рис. 3.2 видно, что показатель степени обводнения кожевой ткани опытного образца после отмоки выше контрольного (относительное увеличение составляет 5,8 %). Это подтверждает то, что предварительная плазменная обработка сырья повышает число взаимодействий активных центров структуры коллагена с молекулами воды и приводит к большим изменениям микроструктуры дермы: увеличению межпучковых промежутков, а также просветов, отделяющих друг от друга более мелкие структурные элементы.
Разработка технологических процессов получения мехового полуфабриката с применением низкотемпературной плазмы пониженного давления
Для обслуживания аппаратуры, размещенной внутри нагревательного блока, имеются двери с лицевой и боковой стороны шкафа. Двери генераторного блока снабжены электромеханической блокировкой, обеспечивающей безопасность обслуживания. Измерительные приборы, кнопки управления, сигнальные лампы, потенциометр регулирования анодного напряжения, сельсины, тумблеры управления приводами и блок стабилизации размещены на дверях.
Для дистанционного управления в генераторном блоке предусмотрен специальный клемник, к которому могут быть подключены дублирующие измерительные приборы и коммутационная аппаратура, расположенные на выносном пульте управления.
В левой части генераторного блока расположен анодный трансформатор, высоковольтный выпрямитель и контактор.
В правой части внутри стального шкафа установлен алюминиевый шкаф, в котором размещены все высокочастотные цепи генератора (генераторная лампа, регулятор мощности, регулятор обратной связи, батарея конденсаторов анодного контура, анодный и сеточный дроссели).
Доступ к высокочастотным элементам генераторного блока осуществляется через боковую дверь и съемные экранирующие щиты. За передней правой дверью расположены элементы схемы стабилизации. В комплекте поставки предусмотрен радиочастотный кабель для подсоединения генераторного блока к блоку нагрузочного контура, который выполнен в виде шкафа с батареей конденсаторов и катушкой индуктивности. Доступ к высокочастотным элементам нагрузочного контура осуществляется через съемные экранирующие щиты. В блоке нагрузочного контура находится вентилятор, для охлаждения конденсаторной батареи, и преобразователь высокочастотного напряжения, соединенный гибкими радиочастотными кабелями с прибором для измерения напряжения на нагрузочном контуре, размещенным на лицевой панели генераторного блока. Методика обработки мехового материала на опытно-промышленной высокочастотной плазменной установке: первоначально осуществляют откачку воздуха из вакуумной камеры. Далее в разрядную камеру напускают рабочий газ. Регулировкой вентиля, соединяющего вакуумную камеру с механическими насосами, устанавливают заданное давление. Затем включают ВЧ генератор. Под действием электромагнитного поля от электродов происходит нагрев плазмообразующего газа до состояния плазмы. Режим плазменной обработки регулируют путем изменения входных параметров установки: расхода газа, мощности ВЧЕ разряда, давления в разрядной камере и длительности обработки. В данном разделе на основе традиционных технологий (таблица 4.2, 4.3) предложены наиболее рациональные и рекомендуемые для внедрения в меховое производство схемы технологического процесса выделки шкурок меховой овчины и шкур северного оленя с использованием неравновесной низкотемпературной плазмы, позволяющие сократить продолжительность отмоки, пикелевания, дубления, а также снизить расход хромового дубителя. Проведенные ранее исследования выявили общие закономерности влияния НТП пониженного давления на коллаген кожевой ткани северного оленя и меховой овчины. Однако, из-за биологической специфичности каждого из выбранных объектов исследования, режимы плазменной обработки шкур северного оленя отличаются от режимов плазменной модификации шкурок меховой овчины. Исследования показали, что технологии получения мехового полуфабриката с использованием НТП согласно схемам, представленным на рис. 4.3 (а, б) - в производстве меховой овчины и шкур северного оленя соответственно, позволяют интенсифицировать каждый жидкостной процесс в отдельности, и получить меховой полуфабрикат с улучшенными физико-механическими свойствами. Проведение плазменной обработки перед процессами отмоки, пикеливания и дубления, согласно с предложенным выше вариантом, предусматривает большое количество дополнительных операций по загрузке и выгрузке обрабатываемых шкур, что сказывается на увеличении длительности производственного цикла и снижении производительности труда. Кроме того, проведение плазменной обработки шкурок имеющих повышенное содержание влаги (свыше 45 %) затруднено. Это связано с тем, что при обработке влажных шкур НТП пониженного давления может произойти образование кристалликов льда между структурными элементами кожевой ткани. Лед, размещаясь между ними, раздвигает волокна коллагена, что приводит к разрыву межволоконных связей и, возможно, самих волокон. Происходит деструкция кожевой ткани шкурок. Проводились исследования с целью определения, на каких этапах технологии получения мехового полуфабриката можно отказаться от предварительной ВЧЕ плазменной обработки, без снижения общего эффекта плазменного воздействия. Результаты исследований показали, что целесообразнее проводить плазменную обработку меховых шкурок в сырье (перед отмокой) и после пикелевания (перед дублением). Такие технологии являются целесообразными, так как позволяют интенсифицировать подготовительные жидкостные процессы на стадии выделки (в 1,5-2 раза), без существенной перестройки процессов принятой на предприятии технологии; уменьшить расход хромового дубителя на 20 %, что положительно отражается на экологии окружающей среды. Полученный меховой полуфабрикат характеризуется улучшенными прочностными характеристиками. Рациональные схемы технологического процесса получения полуфабриката из шкурок меховой овчины (а) и северного оленя (б) с применением плазменной обработки. На основании технологии (таблица 4.2 и 4.3) принятой на предприятии, предлагаются наиболее рациональные схемы (рис. 4.4 а, б) выделки шкурок меховой овчины и шкур северного оленя, применимость которых в промышленности сопровождается незначительной перестройкой технологического процесса принятого на предприятии, а также простотой и доступностью выполнения внедряемых операций.
