Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология кожи и меха

Диссертационная работа:

Красина Ирина Владимировна. Регулирование свойств натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы в процессах кожевенного и мехового производства : ёвтореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.19.05 Казань, 2006 338 с. РГБ ОД, 71:07-5/323

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Основные условные обозначения и сокращения 5

Введение 7

Глава 1. Современное состояние процессов регулирования 16

свойств высокомолекулярных волокнистых материалов

  1. Основные показатели, характеризующие свойства 16 высокомолекулярных волокнистых материалов

  2. Современные методы модификации высокомолекулярных 24 волокнистых материалов

  3. Применение неравновесной низкотемпературной плазмы для 47 модификации высокомолекулярных волокнистых материалов

  4. Биологические материалы как предмет исследования в 53 нанотехнологии

  5. Задачи диссертации 55

Глава 2. Теоретическое обоснование модификации 57

высокомолекулярных волокнистых материалов неравновесной низкотемпературной плазмой

  1. Взаимодействие неравновесной низкотемпературной плазмы 57 с материалами

  2. Характеристика структуры высокомолекулярных 63 волокнистых материалов

  3. Математическая модель взаимодействия неравновесной 72 низкотемпературной плазмы с высокомолекулярными волокнистыми материалами

  4. Физическая модель взаимодействия высокомолекулярных 79 волокнистых материалов с неравновесной низкотемпературной плазмой

Глава 3. Методика экспериментальных исследований 85

плазменной модификации высокомолекулярных волокнистых материалов

  1. Объекты исследования и их свойства 85

  2. Оборудование и методика обработки высокомолекулярных 89 волокнистых материалов неравновесной низкотемпературной плазмой

  3. Методики исследования свойств высокомолекулярных 117 волокнистых материалов

Глава 4. Экспериментальные исследования модификации 145

наноструктуры белков с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы

  1. Исследование влияния неравновесной низкотемпературной 145 плазмы на пористость высокомолекулярных волокнистых материалов

  2. Исследование влияния неравновесной низкотемпературной 150 плазмы на структурные изменения высокомолекулярных волокнистых материалов

  3. Исследование влияния неравновесной низкотемпературной 162 плазмы на наноструктуру высокомолекулярных волокнистых материалов

Глава 5. Экспериментальные исследования влияния 170

неравновесной низкотемпературной плазмы на изменение свойств высокомолекулярных волокнистых материалов

  1. Исследование химических и физико-механических свойств 170 натуральной кожи при плазменном воздействии

  2. Исследование химических и физико-механических свойств 186 натурального меха при плазменном воздействии

5.2.1. Исследования кожевой ткани при плазменном воздействии 186

5.2.2. Исследования волосяного покрова при плазменном 194
воздействии

5.3. Анализ параметров ответственных за модификацию 209
высокомолекулярных волокнистых материалов при
плазменном воздействии

Глава 6. Рекомендации по разработке технологических
процессов создания материалов с регулируемыми свойствами с 215

помощью модификации неравновесной низкотемпературной плазмой

  1. Типовые представители высокомолекулярных волокнистых материалов животного происхождения, подвергаемые 215 обработке неравновесной низкотемпературной плазмой

  2. Разработка оборудования, необходимого для реализации технологического процесса регулирования свойств 217 высокомолекулярных волокнистых материалов

  3. Технологические процессы обработки высокомолекулярных волокнистых материалов в процессе воздействия 221 неравновесной низкотемпературной плазмой

Общие выводы 266

Литература 268

Приложение

5 ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Р- рабочее давление;

G - расход плазмообразугощего газа;

Wp - мощность разряда;

t - время;

/- частота;

П - относительный коэффициент оптического поглощения;

R„ - относительный коэффициент оптического отражения;

Я - длина волны;

SCJl - толщина приэлектродного слоя объемного заряда;

Ucn - скачок потенциала на слое;

Wi - энергия ионов;

ji - ионный ток на поверхность;

Д - коэффициент ионизации;

ус - эффективная частота соударений электронов;

«кр - критическая концентрация электронов;

YKi - степень пеидеалыюсти;

t,- индекс, определяющий вид частиц;

со - круговая частота электромагнитного поля;

а - постоянная затухания;

є0 - диэлектрическая постоянная;

J- плотность тока;

(2Рек" поток энергии рекомбинации;

WTn, Wmn - мощности теплопроводности, излучения;

U3 - напряжение на электродах;

Sa - поверхностная плотность атомов;

V0 - доля объема межэлектродного пространства, занимаемая
диэлектрическим материалом;

Ртт - прочность покрытия кожи к многократному изгибу;

Єр - удлинение кожи;

Нк - водонамокаемость кожи;

iVB - относительная влагоемкость;

h - глубина проникновения красителя;

Vn - пористость кожи;

2Ж - содержание несвязанных жировых веществ;

Введение к работе:

В связи с высокой конкуренцией с западным товаром перед отечественной промышленностью стоит актуальная задача повышения качества выпускаемой продукции с минимальным увеличением себестоимости. В частности, в легкой промышленности актуальной является проблема улучшения свойств натуральных кожи и меха.

Кожа и мех относятся к высокомолекулярным волокнистым материалам животного происхождения и состоят в основном из волокнистых белков (коллагена, кератина). Одной из особенностей натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов, существенно влияющих на комплекс физико-механических свойств кожевенно-меховых материалов, является пористая структура. Пористость кожевенно-меховых материалов составляет 40-60%.

Пористая структура натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов является многоуровневой. Она включает в себя макропоры, а также пространства между элементами всех уровней структуры коллагена (между пучками, волокнами, фибриллами и т.д.). В результате площадь внутренней поверхности, образованной поверхностью пор и капилляров, на несколько порядков превышает площадь наружной поверхности.

Поэтому для достижения максимального изменения эксплуатационных и потребительских свойств, натуральные высокомолекулярные волокнистые материалы нужно модифицировать во всем объеме.

Основой технологии производства кожи и меха являются жидкостные процессы и механические операции. В результате химического и физического воздействий происходит структурирование белков дермы и изменение физико-механических и физико-химических свойств полуфабрикатов во всем объеме.

Традиционные методы модификации кожевенно-меховых материалов (механические, химические) практически исчерпали свои возможности. Одним из новых способов повышения качества и устойчивости к различным воздействиям натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов

8 является применение плазмы: тлеющего, барьерного, мембранного разрядов; разряда с жидким катодом; ВЧ разряда пониженного давления.

Работы в этой области ведутся во многих научных центрах нашей страны и за рубежом. Существенный вклад в решение этого вопроса внесли, С.Ф.Садова, С.В.Дресвин, В.В. Кудинов, Л.И.Максимов, Е.Х.Меликов.

Результаты исследований, выполненных в последнее время, показывают, что в отличие от других видов неравновесной низкотемпературной плазмы, обработка с помощью ВЧ плазмы пониженного давления позволяет производить объемную модификацию пористых материалов, в результате чего происходят такие изменения физико-механических характеристик, которые получить другими методами невозможно. В частности обработка ВЧ плазмой пониженного давления позволяет улучшить одновременно несколько свойств материала, не ухудшая остальные свойства. Это дает основание предположить возможность применения ВЧ плазмы пониженного давления в процессах выделки кожевенно-меховых материалов. Однако, пока в этой области отсутствуют систематические экспериментальные и теоретические исследования, дающие полное представление об изменениях свойств натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов, в том числе о структурных изменениях коллагена и кератина на уровне наноструктуры (прото-, микро-, субфибрилл). Не разработана физическая модель процесса воздействия неравновесной низкотемпературной плазмы на натуральные высокомолекулярные волокнистые материалы.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы -
создание новой технологии физической модификации высокомолекулярных
волокнистых материалов путем воздействия неравновесной

низкотемпературной плазмы на наноструктуру животных белков.

Исследование взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с натуральными высокомолекулярными волокнистыми материалами и создание на их основе технологических процессов плазменной модификации позволят проводить направленные изменения эксплуатационных свойств и

9 дадут возможность интенсифицировать процессы выделки кожевеино-мехового материалов.

В диссертации изложены работы автора в период с 2000 по 2006 г.г. но исследованию изменений свойств натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов иод воздействием неравновесной 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» 2003г., при поддержке гранта ЛН РТ по теме «Высокочастотная плазменная струйная обработка твердых тел сплошной и капиллярно-пористой структур» 2003-2004 гг. и в соответствии с тематическим планом НИР института технологии легкой промышленности, моды и дизайна Казанского государственного технологического университета в рамках направлений программы «Концепция развития мехового комплекса России на 1999-2005 гг».

В первой главе описаны основные характеристики натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов и представлен обзор литературы, посвященной исследованиям методов совершенствования технологий производства кожевенных и меховых материалов, в том числе используемых для этих целей электрофизических методов. Обоснованна эффективность применения неравновесной низкотемпературной плазмы для модификации кожевенных и меховых материалов.

На основе анализа модификации натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов с целью регулирования их свойств, проведено обобщение информации результатов исследований в этой области науки и техники, что позволило сформулировать цель и основные задачи работы.

Во второй главе дается теоретическое обоснование модификации натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов путем воздействия ВЧ плазмы пониженного давления на наноструктуру белка.

Основой макроскопических свойств кожи и меха является надмолекулярная структура коллагена и кератина, образованная за счет связей между боковыми элементами третичной структуры. Надмолекулярная структура составляет многоуровневую систему волокон, и разрыв связей в надмолекулярной структуре может привести к изменению расстояний между элементами волокнистой структуры, изменению пористости и механических свойств высокомолекулярных материалов.

Обработка натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов производится в ВЧ плазме пониженного давления, вследствие чего у поверхности образуется слой положительного заряда.

Причинами образования слоя положительного заряда являются колебания электронов в ВЧ поле. Толщина слоя положительного заряда составляет 0,1-1,5 мм в зависимости от режима поддержания разряда. Ионы плазмы, ускоряясь в слое положительного заряда до энергий 70-100 эВ, бомбардируют поверхность материала, передавая эту энергию приповерхностным атомам тела. При этом, в связи с пористой структурой, ионы могут проникать внутрь материала на значительную глубину. Для исследования процесса инжекции заряженных частиц в капиллярно-пористый материал создана математическая модель на основе метода Монте-Карло.

В результате теоретических исследований установлено, что распределение ионов но глубине высокомолекулярных волокнистых материалов является экспоненциальным, причем показатель экспоненты пропорционален пористости материала. Зависимость количества частиц, достигших определенной глубины от пористости, близка к квадратичной. Таким образом, заряженные частицы из плазмы могут проникать в высокомолекулярные волокнистые материалы на значительную глубину, образуя объемный слой.

В натуральном высокомолекулярном волокнистом материале создается переменное электрическое поле, амплитуда напряженности которого оценивается величиной -105 В/м.

В результате в порах и капиллярах возникает пробой с образованием заряженных частиц. При рекомбинации этих частиц на поверхности пор и капилляров выделяется энергия 12,1-20,2 эВ, которая передается поверхностным молекулам белка, что и приводит к объемной модификации натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов.

Анализ показал, что изменение физических свойств происходит за счет следующих факторов: внешняя поверхность обрабатывается за счет бомбардировки низкоэнергетичными ионами (70-100 эВ), а внутренняя поверхность пор и капилляров модифицируется в результате рекомбинации (12,1-20,2 эВ) на ней заряженных частиц, возникающих вследствие пробоя и возникновении несамостоятельного разряда в межволоконном пространстве. Передача энергии атомам приповерхностного слоя высокомолекулярного волокнистого материала приводит к удалению загрязняющих веществ, разрыву поперечных водородных связей и связей образованных силами Ван-дер-Ваальса, конформации белковых молекул. Вследствие разрыва поперечных связей происходит разделение волокон и увеличивается количество нанопор, то есть происходит изменение наноструктуры натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов.

В третьей главе содержится выбор объектов исследования и представлены характеристики кожевенио-меховых материалов, дано описание экспериментальной ВЧ плазменной установки для получения высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда, применяемого в процессах модификации исследуемых материалов. Описаны аппаратура и методики исследования свойств материалов.

Для исследования структурных, физико-механических и физико-химических свойств применены электропномикроскопический, рентгенострук-турный, спектрофотометрический и пикнометрический анализы; метод электронного парамагнитного резонанса, а так же стандартные методики оценки свойств используемых материалов.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований воздействия на наноструктуру животного белка неравновесной низкотемпературной плазмой, в результате чего изменяются структура и пористость кожевенного и мехового материалов.

Установлено, что плазменная обработка натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов приводит не только к морфологическим изменениям структуры в микрометровом диапазоне. Одновременно с этим происходит глубокая наноструктурная трансформация натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов. Под воздействием плазменной обработки происходит расширение микроиор, что, в свою очередь, вызывает сжатие отдельных волокон.

В результате сопоставления экспериментальных данных, сделано заключение, что процессы плазменной модификации натурального высокомолекулярного волокнистого материала, характеризующиеся разделением образующих его пучков, а также разволокнением самих пучков (микроструктуры 1-100 мкм), одновременно приводят к уплотнению структур более высокого порядка, фибрилллярных систем волокон и самих фибрилл (15-250 нм), то есть наноструктур.

Этими процессами объясняется комплекс измененных свойств модифицированного плазмой материала. В частности, увеличение макро и микропористости натурального высокомолекулярного волокнистого материала под воздействием плазменной обработки приводит к интенсификации жидкостных процессов отделки: додубливания, крашения и жирования, качество проведения которых во многом определяет физико- механические свойства материала, такие как улучшенная эластичность, высокая термостойкость. Уплотнение структуры отдельных волокон после плазменной обработки позволяет добиться, в сочетании с увеличением эластичности, повышения предела прочности натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов.

В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований свойств натуральных высокомолекулярных материалов, модифицированных ВЧ плазмой.

Из результатов экспериментальных исследований следует, что характеристики натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов, достигаемые за счет плазменной обработки при получении мехового и кожевенного полуфабрикатов могут быть различными в зависимости от того, идет ли речь о технологических или эксплуатационных свойствах. Применение ВЧ плазмы пониженного давления позволяет интенсифицировать жидкостные процессы при производстве кожевенного и мехового полуфабриката на 20 -30 %, а также улучшить их эксплуатационные показатели. Следовательно, плазменную обработку целесообразно ввести в технологический процесс получения кожевенных и меховых материалов.

Шестая глава посвящена разработке технологии производства кожевенного и мехового полуфабриката с помощью ВЧ плазменной модификации. Дано описание типовых представителей натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов, подвергаемых модификации ВЧ плазмой пониженного давления.

Приведена схема и описание разработанной плазменной установки для обработки натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов в промышленных условиях. Описаны технологические процессы получения кожевенных и меховых материалов с регулируемыми свойствами.

Проведенные исследования показали, что внедрение плазменной обработки шкурок перед отмокой, дублением, крашением и после крашения, позволяет добиться максимального результата по улучшению эксплуатационных свойств кожевенных и меховых материалов и интенсификации жидкостных процессов при их производстве.

Полуфабрикаты, полученные по предложенным схемам, обладают улучшенными технологическими, потребительскими и эксплуатационными свойствами по сравнению с произведенными по типовым технологиям. У

14 кожевенных материалов повышается температура сваривания на 5-Ю %, пористость на 25-30 %, прочность при растяжении на 12-20 %; у меховых материалов повышается температура сваривания на 3-6 %, пористость на 13-28%, прочность при растяжении на 10-13 %. Кроме этого, применение ВЧ плазмы пониженного давления позволяет интенсифицировать жидкостные процессы при производстве кожевенного и мехового полуфабриката на 20-30%.

Представлены результаты внедрения работы в промышленность и приведены данные технико-экономической эффективности работы

Созданные технологические процессы внедрены в промышленное производство на ТМТП ОАО «Мелита», ЗАО «ПКП «PC», АО «Сафьян».

Суммарный экономический эффект от внедрения ВЧ плазменной модификации в технологию производства кожевенных и меховых материалов составляет 20 млн.руб. в год.

Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно-обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение ряда важнейших прикладных задач легкой промышленности, имеющих большое народно-хозяйственное и социальное значение и заключающуюся в создании комплекса новых технологических процессов модификации натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов для улучшения эксплуатационных и потребительских свойств изделий с помощью потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления. На защиту выносятся следующие положения:

  1. Научные основы плазменной модификации натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов устанавливающие, что воздействие ВЧ плазмы пониженного давления приводит к модификации наноструктуры белков животного происхождения, в результате чего происходит комплексное изменение свойств кожевенных и меховых материалов во всем объеме.

  2. Физическая и математическая модели взаимодействия ВЧ плазмы пониженного давления с высокомолекулярными волокнистыми материалами и

15 результаты теоретических исследований, показывающие возможность физической модификации наноструктуры капиллярно-пористых натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов.

  1. Результаты экспериментальных исследований, определяющие основные закономерности изменения структурных, физических и механических свойств натуральных высокомолекулярных волокнистых материалов за счет модификации на надмолекулярном уровне наноструктуры белков животного происхождения в результате воздействия ВЧ плазмы пониженного давления.

  2. Технологические процессы производства кожевенных и меховых полуфабрикатов с применением ВЧ плазменной обработки перед процессами отмоки, дубления и крашения, позволяющие сократить продолжительность жидкостных процессов на 20-30 %.

  3. Основы новой технологии физической модификации кожевенно-меховых материалов с помощью ВЧ плазмы пониженного давления, позволяющие регулировать структурные и физико-механические характеристики кожи и меха.

  4. Новые ресурсосберегающие технологии производства кожи и меха, включающие в себя обработку неравновесной низкотемпературной плазмой, позволяющую сократить время жидкостных операций, снизить расход химических материалов, улучшить экологические показатели производства.

Подобные работы
Мухаметшин Айрат Мухтарович
Разработка технологии отмочно-зольных и дубильных процессов в производстве хромовых кож с применением неравновесной низкотемпературной плазмы пониженного давления
Маллашахбанов Шахбан Алимагомедович
Совершенствование технологии подготовительных процессов кожевенного производства с использованием химических материалов целевого назначения
Татарчук Иван Русланович
Исследование и моделирование процессов взаимодействия упруго-вязких материалов и исполнительных рабочих органов при формировании в производстве изделий из кожи
Белицкая Ольга Александровна
Исследование влияния трибоэлектрических свойств обувных материалов на комфортность и электростатическую безопасность обуви
Костровская Татьяна Валентиновна
Разработка методики автоматизированной оценки комфортности обуви по показателям физико-механических свойств пакетов материалов верха
Мамченко Татьяна Валентиновна
Повышение качества и расширение ассортимента сухарных изделий на основе регулирования биотехнологических процессов производства
Полянская Полина Викторовна
Алгоритмическое обеспечение робастных систем регулирования процессов теплообмена в пищевых производствах
Андреев Виталий Алексеевич
Институциональный подход к процессу организации и регулирования интенсификации производства
Касай Елена Викторовна
Совершенствование технологии производства натуральных сухих вин на основе регулирования процессов брожения и кислотопонижения
Белибова Юлия Андреевна
Разработка способов регулирования свойств и обогащения пшеничной муки на стадии ее производства

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net