Разработка технологии отделки направленной на придание комплекса эстетических свойств меховым материалам и изделиям из них с применением плазменных технологий
На правах рукописи
УСЕНКО ВИТАЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОТДЕЛКИ
НАПРАВЛЕННОЙ НА ПРИДАНИЕ КОМПЛЕКСА ЭСТЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕХОВЫМ МАТЕРИАЛАМ И ИЗДЕЛИЯМ ИЗ НИХ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Специальность 05.19.05 – Технология кожи, меха, обувных и
кожевенно-галантерейных изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Казань – 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Абдуллин Ильдар Шаукатович |
| Официальные оппоненты: | Красина Ирина Владимировна доктор технических наук, зав. кафедрой технологии химических и натуральных волокон и изделий ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» |
| Парсанов Александр Сергеевич кандидат технических наук, директор ООО «Кожа и мех» | |
| Ведущая организация: | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии» |
Защита состоится «19» апреля 2012 года в ___ ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.09 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний Ученого совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технологического университета.
Автореферат разослан «19» марта 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук Н.В. Тихонова
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Меховой комплекс играет в экономике РФ, расположенной по большей части в северных широтах, традиционно уникальную по значению роль, поскольку представляет собой значительный, в мировом масштабе, рынок меховых изделий, который на 70-75% наполнен изделиями импортного производства. Сокращение присутствия отечественных производителей на рынке можно остановить, решив проблему расширения ассортимента и повышения конкурентоспособности меховых изделий отечественного производства. В качестве основного фактора формирования ассортимента выступает потребительский спрос населения на выпускаемую продукцию. Конкурентные преимущества меховых изделий возрастают при возможно более полном удовлетворении потребностей человека формирующих спрос. Одним из возможных путей повлиять на конкурентоспособность выпускаемых изделий, является предложение потребителю нового, ранее не представленного на рынке товара, сочетающего в себе повышенные эксплуатационные и дополнительные эстетические характеристики. Поскольку традиционные способы обработки исчерпали свои возможности, то подобное повышение качества меховых изделий возможно лишь за счет внедрения в технологический процесс изготовления меха достижений науки и техники, нетрадиционных для легкой промышленности. Обзор и анализ нетрадиционных способов отделки мехового полуфабриката показал, что наиболее перспективными методами модификации применимыми для решения поставленных задач являются плазменные технологии, поскольку они позволяют целенаправленно изменять структуру материала и тем самым обеспечивать улучшение физико-механических характеристик, а также осуществлять нанесение конденсированных покрытий с целью придания меху и изделиям из него комплекса дополнительных эстетических свойств. В этой связи представляет интерес исследование влияния нанопокрытий и способов их нанесения на эстетические свойства меховых материалов и изделий, а также воздействия ВЧЕ плазмы пониженного давления на физико-механические характеристики мехового полуфабриката. Необходимо отметить, что плазменные технологии относятся к экологически чистым процессам, щадяще воздействующим на окружающую среду, что является их несомненным преимуществом. Работа направлена на решение актуальной проблемы повышения конкурентоспособности отечественной меховой продукции, за счет разработки технологии отделки, направленной на придание меховым материалам и изделиям комплекса дополнительных эстетических свойств с применением плазменных технологий.
Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском технологическом университете в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 года», а также по плану аспирантской подготовки.
Цель работы. Целью работы являлась разработка технологии отделки позволяющей придать меховым материалам и изделиям из них комплекс дополнительных эстетических свойств за счет применения плазменных технологий.
Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:
1. Анализ мехового полуфабриката и его эстетических характеристик. Выявление комплекса дополнительных эстетических свойств, формирование которых обеспечит увеличение конкурентоспособности мехового материала и изделий, производимых на его основе. Обзор современных методов отделки меха. Обоснование возможности придания данных свойств при помощи плазменных технологий, в частности методов осаждения на поверхность волосяного покрова нанопокрытий из металлов и их соединений.
2. Экспериментальные исследования влияния состава и параметров осаждения вакуумно-плазменных покрытий на изменение комплекса эстетических свойств меха, а также влияние ВЧЕ плазмы пониженного давления на физико-механические свойства кожевой ткани (КТ) и волосяного покрова (ВП) мехового полуфабриката.
3. Разработка физической модели осаждения нанопокрытий и влияния предшествующей плазменной обработки на характер взаимодействия конденсируемых покрытий с поверхностью ВП меха.
4. Разработка технологии отделки меха обеспечивающей меховому материалу и изделиям из него комплекс дополнительных эстетических свойств за счет нанесения нанопокрытий из металлов и их соединений и модификации ВЧЕ плазмой пониженного давления.
Методы исследований. В качестве объектов исследования выбраны меховые полуфабрикаты из шкурок каракуля, норки и серки. Для исследования влияния ВЧЕ плазменной модификации на свойства меховых материалов, а также нанопокрытий, формируемых на их поверхности использовали широкий спектр современных методов и методик исследования: сканирующая электронная микроскопия, метод синхронного термического анализа, атомно-силовая микроскопия, метод измерения поверхностной плотности заряда, метод определения светоотражающих характеристик материала, метод определения стойкости окраски к действию света, а также стандартные методики определения химических, физико-механических и эстетических показателей кожевой ткани и волосяного покрова меха.
Научная новизна работы:
1. Установлено, что комбинированная обработка: ВЧЕ плазмой с последующим нанесением нанопокрытий придает меховому полуфабрикату оригинальный цвет, дополнительный блеск, эффект перелива цветов, светоотражение, что обеспечивает ему дополнительные эстетические свойства.
2. Выявлено, что предварительное воздействие на меховой полуфабрикат ВЧЕ плазмы пониженного давления обеспечивает подготовку поверхности ВП перед последующей конденсацией нанопокрытия.
3. Выявлено, что финишная ВЧЕ плазменная модификация мехового полуфабриката способствует повышению прочности сцепления осаждаемого покрытия с подложкой.
4. Определено, что для придания меховому полуфабрикату комплекса дополнительных эстетических свойств (оригинального цвета, дополнительного блеска, эффекта перелива цветов, светоотражения) целесообразным является нанесение нанопокрытий методом конденсации из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки.
5. Впервые установлено, что формирование на поверхности волосяного покрова покрытий из металлов и их нитридов приводит к снижению электрического потенциала, возникающего на поверхности волосяного покрова изделий на 35% и уменьшению удельного поверхностного сопротивления волоса на 99%, за счет образования на его поверхности электропроводного слоя, кроме того, комплексная плазменная модификация приводит к увеличению устойчивости окраски волосяного покрова шкурок к сухому трению на 33%, повышению светостойкости окраски на 60%, прочности и относительного удлинения на 78,2% и 5%. Это позволяет улучшить эстетические свойства мехового изделия придать ему знаковость, оригинальность, обеспечить эргономическую приспособленность и совершенство производственного исполнения.
6. На основании проведенных исследований разработаны новые технологии отделки меха, позволяющие создать безопасный для здоровья человека меховой полуфабрикат, обладающий улучшенными физико-механическими и эстетическими характеристиками и обеспечивающие улучшение эстетических свойств меховых изделий в целом, придавая им знаковость, оригинальность, обеспечивая эргономическую приспособленность и совершенство производственного исполнения.
Практическая ценность работы. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны:
- технология финишной отделки мехового полуфабриката из шкурок норки, позволяющая получить безопасный для здоровья человека материал с улучшенными физико-механическими характеристиками и эстетическими свойствами: придать шкуркам оригинальную окраску «металлик», повысить устойчивость окраски ВП шкурок к сухому трению на 40%, повысить светостойкость окраски на 60%, повысить прочность и относительное удлинение на 78,2% и 5% соответственно, снизить диэлектрическую проницаемость на 52%, уменьшить удельное поверхностное сопротивление волоса на 99%, понизить электрический потенциал, возникающий на поверхности ВП на 35% и обеспечить его постоянство во времени независимо от внешних воздействий.
- технология финишной отделки мехового полуфабриката из шкурок каракуля, позволяющая получить безопасный для здоровья человека материал с улучшенными физико-механическими свойствами и комплексом дополнительных эстетических свойств: с оригинальной окраской «металлик», повышенной устойчивостью окраски ВП шкурок к сухому трению на 15%, светостойкостью окраски на 60%, прочностью и относительным удлинением на 72% и 4% соответственно. Кроме того диэлектрическую проницаемость снижается на 63 %, уменьшается удельное поверхностное сопротивление волоса на 99%, понижается электрический потенциал, возникающий на поверхности ВП на 35% и обеспечить его постоянство во времени независимо от внешних воздействий.
- технология финишной отделки мехового полуфабриката из шкурок серки, позволяющая получить безопасный для здоровья человека материал с улучшенными физико-механическими характеристиками и комплексом дополнительных эстетических свойств: придать шкуркам оригинальную окраску «металлик», повысить устойчивость окраски ВП шкурок к сухому трению на 33%, повысить светостойкость окраски на 60%, повысить прочность и относительное удлинение на 73% и 3% соответственно, снизить диэлектрическую проницаемость на 54%, уменьшить удельное поверхностное сопротивление волоса на 99%, понизить электрический потенциал, возникающий на поверхности ВП на 35% и обеспечить его постоянство во времени независимо от внешних воздействий.
Разработанные технологии позволяют улучшить эстетические свойства меховых изделий в целом, придавая ему знаковость, оригинальность, обеспечить эргономическую приспособленность и совершенство производственного исполнения. Разработана промышленная установка, позволяющая проводить единовременную партионную загрузку и многократную, последовательную плазмохимическую обработку мехового полуфабриката из любых видов меха. Созданные технологические процессы внедрены в промышленное производство на ООО «Мелита» и ООО «Меховщик». Экономический эффект от внедрения в производство разработанной технологии составляет до 2,5 млн. руб.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты экспериментальных исследований устанавливающие, что комбинированная обработка: ВЧЕ плазмой с последующим нанесением нанопокрытий придает меховому полуфабрикату оригинальный цвет, дополнительный блеск, эффект перелива цветов, светоотражение, что обеспечивает ему комплекс дополнительных эстетических свойств.
2. Результаты исследований влияния предварительной и последующей ВЧЕ плазменной модификации мехового полуфабриката на прочность сцепления осаждаемого покрытия с подложкой.
3. Результаты исследований влияния нанесения нанопокрытий из металлов и их соединений на комплекс эстетических характеристик (цвет, блеск, эффект перелива цветов, светоотражение) и физико-механические свойства мехового полуфабриката.
4. Новые технологии отделки меха, позволяющие создать безопасный для здоровья человека меховой полуфабрикат, обладающий улучшенными физико-механическими и эстетическими характеристиками и обеспечивающие улучшение эстетических свойств меховых изделий в целом, придавая им знаковость, оригинальность, обеспечивая эргономическую приспособленность и совершенство производственного исполнения.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке задачи, выборе и обосновании методик экспериментов и непосредственном участии в их проведении; в анализе и обобщении полученных результатов; в разработке технических приемов и технологических параметров плазменной модификации; разработке рекомендаций по промышленному использованию плазменной технологии на стадии отделки мехового полуфабриката.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на научной сессии КГТУ (Казань, 2008, 2009, 2011), конференциях: «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий» (Казань, 2009), «Наноматериалы, нанотехнологии, наноиндустрия» (Казань, 2011), международной научно-технической конференции «Образование и наука производству» (Набережные Челны, 2010), Международной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород 2010), XIII Международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений - V Кирпичниковские чтения» (Казань, 2009), Международной научно-практической конференции, посвященной 175-летию подготовки специалистов в области колорирования текстиля «Достижения в области химической технологии и дизайна текстиля. Синтеза и применения красителей» (Санкт-Петербург, 2009), III Международной научно-практической конференции «Современные экологические безопасные технологии производства кожи и меха» (Киев, 2010), Международной научно-технической конференции «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности» (Москва, 2010). Основные результаты работы изложены в 25 публикациях, из которых 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. В тексте приведены ссылки на 200 литературных источников. Работа изложена на 180 стр. машинописного текста, содержит 36 рисунков, 19 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи исследования, намечены подходы к их решению, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе проанализированы свойства мехового полуфабриката, как объекта исследований, в частности рассмотрены эстетические показатели, устанавливающие его ценность, и качество производимого из него изделия. Выявлен комплекс дополнительных эстетических свойств, обеспечивающих увеличение конкурентоспособности мехового полуфабриката и производимого из него мехового изделия. Приведен обзор современных методов отделки меха. Сформулированы задачи диссертации.
Во второй главе для решения поставленных задач в работе описаны установки, используемые для модификации меховых материалов:
- ВЧЕ плазменная установка, для получения емкостного разряда пониженного давления. Входные параметры плазменной установки варьировались в следующих пределах: мощность разряда (Wр) 0,1-2,5 кВт, рабочее давление в разрядной камере (P) 13,3-26,6 Па; расход плазмообразующего газа (G) 0,04-0,08 г/с; частота генератора (f) 13,56 МГц, продолжительность обработки () 1-9 мин. В качестве плазмообразующего газа использовался аргон;
- вакуумно-плазменная печь с дуговыми источниками металлической плазмы, типа ННВ. Входные параметры установки варьировались в следующих пределах: ток дуги (Iд) 65±5 А, давление в вакуумной камере (P) 0,1-0,6 Па, опорное напряжение (Uоп) 0-60 В, продолжительность обработки () 0,5-3,5 мин, вращение образцов со скоростью 1,5-2 оборота в минуту. В качестве плазмообразующего газа использовали азот, кислород воздуха.
Представлены объекты исследований, их характеристики, проведено обоснование их выбора, описаны методы исследований. В качестве объектов исследований использовали меховой полуфабрикат из шкурок норки, серки и каракуля, выбранные в качестве типовых представителей по признаку структуры волосяного покрова, а также исходя из популярности этих видов меха у потребителя в дорогой ассортиментной группе. Достоверность результатов оценивали с помощью методов статистической обработки экспериментальных данных.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния состава и параметров осаждения вакуумно-плазменных покрытий на изменение комплекса эстетических свойств меха, а также влияние ВЧЕ плазмы пониженного давления на физико-механические свойства КТ и ВП мехового полуфабриката. Придание дополнительных эстетических характеристик меху является наиболее актуальным для меховых полуфабрикатов дорогого и молодежного ассортимента, поскольку для данной потребительской категории значимость фактора модности, престижности является выше, чем для менее обеспеченных потребителей. Для придания меховому полуфабрикату дополнительных эстетических свойств в работе предложено осуществлять нанесение на поверхность ВП меха нанопокрытий из металлов и их соединений. Для нанесения покрытий применяли два метода: по принципу магнетронной распылительной системы, в условиях аномального тлеющего разряда и конденсацией покрытия из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки. Определены оптимальные параметры формирования нанопокрытий и их состав, найдены наилучшие режимы модификации мехового полуфабриката ВЧЕ плазмой пониженного давления и установлены закономерности улучшения свойств полученного материала. Основными критериями оценки являлись показатели прочности ВП, а также результаты органолептической оценки образцов. Экспериментально установлено, что в случае ионно-плазменной конденсации наилучший эффект сочетающий в себе получение красивого покрытия с сохранением мягкости и рассыпчатости ВП достигается при обработке в режиме
=2,5 мин; Р=0,6 Па; Uоп=10 В. При получении покрытий магнетронным распылением наилучшим режимом обработки явился следующий: 
=20 мин; Рраб=0,8 Па; L=12 см. Причем в обоих случаях немаловажную роль играет природа используемого реакционного газа, поскольку формирование серебристого покрытия происходит при давлении остаточной атмосферы, а золотистый окрас получают при напуске азота в реакционную камеру. В зависимости от давления в камере реакционного газа (азот) возможно получение различных оттенков желтого, от бледного до насыщенного. Внешний вид ВП с металлическим покрытием и без него представлен на рисунке 1.
 |  |  |
| а) | б) | в) |
Рис.1 Фотографии волоса (увеличение 20): а) без напыления; б) с нанопокрытием титана; в) с нанопокрытием нитрида титана.
Оценка прочностных характеристик обработанных образцов в обоих случаях показала увеличение показателя предела прочности волоса при разрыве на 15-19%. Сравнительная органолептическая оценка внешнего вида испытуемых представителей мехового полуфабриката с нанопокрытием, обработанных вышеозначенными методами, показала, что экземпляры после ионно-плазменного напыления характеризуются большей рассыпчатостью волосяного покрова по сравнению с образцами после магнетронной обработки. Результаты термического анализа показали, что в результате нанесения на волосяной покров нанопокрытия повышается его устойчивость к термическому воздействию на 1% при использовании магнетронного распыления и на 2,5% при ионно-плазменном напылении. На следующем этапе оценивали влияние формируемых нанопокрытий на химические характеристики волосяного покрова мехового полуфабриката. Для этого проводились измерения кислотно-щелочной растворимости волосяного покрова. Полученные результаты свидетельствуют о том, что металлизированные образцы обладают большей устойчивостью к действию кислот и щелочей, по сравнению с контрольными. При этом образцы с ионно-плазменным покрытием, более устойчивы к действию кислот по сравнению с металлизированными методом магнетронного распыления (рисунки 2,3).
Рис.2 Влияние металлизации на кислотную растворимость волосяного покрова
Рис.3 Влияние металлизации на щелочную растворимость волосяного покрова
Также установлено, что пористость волосяного покрова после нанесения покрытия при использовании метода магнетронного распыления ухудшается как по сравнению с контрольным, так и относительно к образцам, металлизированным ионно-плазменным способом (рисунок 4).
Рис.4 Влияние металлизации на пористость волосяного покрова
Исходя из полученных результатов, сделан вывод о нецелесообразности применения магнетронных распылительных систем для металлизации мехового полуфабриката. Поэтому на следующих этапах работы для нанесения нанопокрытий использовался метод конденсации из плазменной фазы.
Формирование покрытий на поверхности волосяного покрова придает шкуркам дополнительный «металлический» оттенок, блеск и переливистость цвета. Блеск волосяного покрова является одним из основных свойств, характеризующих качество меха. Волосяной покров шкурок высших сортов отличается красивым глянцевым блеском. Придание шкуркам дополнительного цвета и блеска существенно повышает их сортность. В результате также увеличивается цветоустойчивость (светопрочность) окраски, т.е. степень выцветания. Установлено, что волосяной покров с покрытием более устойчив к действию ультрафиолета: для полуфабриката из шкурок норки и серки этот показатель выше на 37%, а для каракуля на 13%. При этом во всех случаях значение цветоустойчивости удовлетворяет требованиям стандартов. Нанесение нанопокрытий приводит к увеличению блеска мехового полуфабриката, вследствие изменения микрорельефа поверхности волос. Конденсируясь, металлическое покрытие из паровой фазы осаждается на поверхности волосяного покрова, и под действием избирательной ионной обработки происходит заполнение микронеровностей, и выравнивание поверхности в целом, в результате чего материал приобретает дополнительный блеск, образцы с покрытием обладают на 62% большим блеском, по сравнению со шкурками, отделанными по традиционной технологии. На следующем этапе работы для более детальной оценки изменение поверхности волосяного покрова до и после обработки исследовалось с помощью электронной микроскопии (рисунок 5). Анализ поверхности контрольных и обработанных образцов показал, что в случае ионно-плазменного напыления на поверхности формируется покрытие меньшей интенсивности, кроме того поверхность характеризуется большей гладкостью, что вызвано одновременной избирательной плазменной обработкой.
 |  |  |
| а) | б) | в) |
Рис.5 Микрофотографии волоса норки (увеличение 800): а) без нанопокрытия, б) с нанопокрытием нанесенным методом магнетронного распыления; в) с нанопокрытием нанесенным методом ионно-плазменного напыления
О сглаживании поверхности свидетельствуют также данные, полученные методом прерывисто-контактной атомно-силовой микроскопии (рисунок 6). Анализ распределения частиц по высоте показал увеличение данного показателя в среднем на 60 нм.
 |  |  |
| а) | б) | в) |
Рис.6 АСМ изображение топографии поверхности образца: а) без нанопокрытия, б) с нанопокрытием нанесенным методом магнетронного распыления; в) с нанопокрытием нанесенным методом ионно-плазменного напыления
В дальнейшем с целью увеличения долговечности формируемых на поверхности волосяного покрова нанопокрытий из металлов и их соединений исследовали возможность проведения комбинированной обработки включающей: предварительную ВЧЕ плазменную модификацию, ионно-плазменное напыление и заключительную ВЧЕ плазменную модификацию. Процесс взаимодействия ВЧЕ плазмы пониженного давления с натуральными высокомолекулярными материалами, которыми и образован волосяной покров меха представляет собой совокупный вклад следующих процессов: рекомбинация ионов на поверхности и в объеме; передача энергии, приобретенной в слое поверхностного заряда у поверхности твердого тела; термическое воздействие на материал. Взаимодействие потоков заряженных частиц, поступающих на внешнюю поверхность из плазмы с энергией от 70 до 100 эВ, а на внутреннюю - из объема пор и капилляров с выделением энергии от 12,1 до 24,4 эВ, приводит к изменению кератина на надмолекулярном уровне и как следствию к структурным изменениям материала в целом. Причем характер данных структурных изменений определяется параметрами ВЧЕ плазменной обработки пониженного давления. Оценку структурных изменений поверхности волоса, происходящих в результате ВЧЕ плазменной модификации, осуществляли по показателю смачивания, который определяется временем впитывания капли дистиллированной воды (рисунок 7). На основании полученных результатов определены режимы модификации мехового полуфабриката, обеспечивающие материалу гидрофильность и гидрофобность.
Рис.7 Влияние ВЧЕ плазменной модификации на время впитывания капли дистиллированной воды
Как показали исследования ВЧЕ плазменная модификация мехового полуфабриката в режиме Wp=1,2 кВт, =5 мин., Р=26,6 Па, G=0,04 г/с, f=13,56 МГц (плазмообразующий газ – аргон) способствует раскрытию чешуек кутикулярного слоя волоса, а обработка в режиме Wp=0,98 кВт, =1 мин., Р=26,6 Па, G=0,04 г/с, f=13,56 МГц (плазмообразующий газ – аргон) приводит к восстановлению первоначальной ориентации кутикулы и более плотной упаковке чешуек. Также оценку характера изменения поверхности волосяного покрова проводили с помощью растровой электронной микроскопии (рисунок 8). Таким образом, режим, обеспечивающий раскрытие чешуек кутикулы рекомендован для предварительной обработки, а для финишной обработки выбран режим, при котором кутикула восстанавливается, и время впитывания капли максимально возрастает.
 |  |  |
| а) | б) | в) |
Рис. 8 Микрофотографии волосяного покрова мехового полуфабриката (увеличение 2000): а) контрольный образец; б) образец обработанный в режиме Wp=1,2 кВт, =5 мин., Р=26,6 Па, G=0,04 г/с, f=13,56 МГц (плазмообразующий газ – аргон); в) образец обработанный в режиме Wp=0,98 кВт, =1 мин., Р=26,6 Па, G=0,04 г/с, f=13,56 МГц (плазмообразующий газ – аргон)
Далее исследовали влияние комплексной модификации ВЧЕ плазмой пониженного давления и ионно-плазменного напыления на качественные характеристики мехового полуфабриката. Установлено, что при комплексной плазменной модификации мехового полуфабриката устойчивость волосяного покрова к трению оценивается в 4 балла, что соответствует требованиям нормативной документации и превосходит показатели контрольного образца. Выявлено увеличение светостойкости окраски на 60%, что объясняется появлением у мехового полуфабриката светоотражающих свойств. Показатель отражения металлизированных образцов возрастает на 78%. Появление металлического нанослоя на поверхности, несомненно, приведет к изменению трибоэлектрических свойств волосяного покрова меха, для исследования которых использовался метод электризации трением. Установлено, что стекание зарядов статического электричества с металлизированного полуфабриката происходит быстрее, чем с исходного образца, в связи с увеличением электропроводных свойств. Результаты исследований показывают, что шкурка, отделанная по традиционной технологии, имеет потенциал поверхности на 60% выше, чем у опытного, даже в состоянии покоя. Потенциал поверхности металлизированной шкурки остается низким как в состоянии покоя, так и при трении (таблица 1). Уровень напряженности электростатического поля на поверхности металлизированной шкурки не превышает установленных предельно допустимых норм, и соответствует требованиям МСанПиН 001-96 «Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях».
Таблица 1 - Потенциал поверхности шкурок
| Вид меха | Потенциал, кВ | |||
| Опытный образец | Контрольный образец | |||
| В состоянии покоя | После электризации трением | В состоянии покоя | После электризации трением | |
| Норка | 16 | 17 | 19 | 60 |
| Серка | 15 | 18 | 17 | 57 |
| Каракуль | 17 | 20 | 17 | 58 |
Модификация мехового полуфабриката ВЧЕ плазмой пониженного давления и методом ионно-плазменной конденсации позволяет сделать волосяной покров мехового полуфабриката более проводящим и тем самым решить проблему электризуемости волосяного покрова.
По результатам лабораторных испытаний (протоколы лабораторных испытаний аккредитованного испытательного лабораторного центра ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в РТ» № 05381 от 15.02.2011г., № 117 от 04.05.2011г.) меховой полуфабрикат с покрытием считается нетоксичным, согласно MP №29ФЦ/2688-03. Миграция химических веществ в воздушную и водную среды составляет: формальдегида менее 0,003 мг/м3, титана менее 0,1 мг/л, хрома 0,0004 мг/м3 (в пересчете на оксид хрома (VI)), что не превышает предельно-допустимых значений и соответствует требованиям ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест», ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».
Таким образом, установлено, что комплексная модификация мехового полуфабриката позволяет создать материал с улучшенными трибоэлектрическими свойствами, повышенной прочностью кожевой ткани и увеличенной потяжкой кожевой ткани.
В четвертой главе на основе результатов экспериментальных исследований разработана технология отделки направленная на придание комплекса эстетических свойств меховым материалам и изделиям из них, с применением плазменных технологий. Приведена схема и описание разработанной опытно-промышленной плазменной установки для модификации меховых материалов в промышленных условиях.
В технологию отделки полуфабриката предлагается ввести стадию комбинированной плазменной модификации, заключающуюся в предварительной обработке неравновесной низкотемпературной плазмой в режиме Wp=1,2 кВт, =5 мин., Р=26,6 Па, G=0,04 г/с, f=13,56 МГц, плазмообразующий газ – аргон. Затем следует осаждение нанопокрытия в режиме =2,5 мин., Р=0,6 Па, Uоп=10 В, Iдуги=65 А с последующим закреплением нанесенного покрытия финишной плазменной обработкой в режиме Wp=0,98 кВт, =1 мин., Р=26,6 Па, G=0,04 г/с, f=13,56 МГц плазмообразующий газ – аргон (рисунок 9).
| Традиционная технология выделки меха | ||||
| Плазменная модификация мехового п/ф в среде аргона в режиме: G =0,04 г/с, Р=26,6 Па, Wр=1,2 кВт, =5 мин | ||||
| Ионно-плазменное напыление в течение 2,5 минут | ||||
| Плазменная модификация мехового п/ф в среде аргона в режиме: G=0,04 г/с; P=26,6 Па; =1 мин, Wр=0,98 кВт | ||||
Рис.9 Схема последовательности технологических операций изготовления меховых материалов с применением комбинированной плазменной обработки
Комплексная модификация позволяет придать шкуркам оригинальную окраску «металлик», повысить устойчивость окраски волосяного покрова шкурок к сухому трению на 25%, повысить светостойкость окраски на 12-37%, повысить прочность и относительное удлинение на 78,2% и 5% соответственно, снизить диэлектрическую проницаемость на 52%, уменьшить удельное поверхностное сопротивление волоса на 99%, понизить электрический потенциал, возникающий на поверхности волосяного покрова на 35% и обеспечить его постоянство во времени независимо от внешних воздействий. На меховой полуфабрикат из шкурок норки, выработанный по данной технологии, получено экспертное заключение ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в РТ» (протокол №45752 от 11 мая 2011 г). Установлено, что меховой полуфабрикат, изготовленный по разработанной технологии, безопасен для потребителя и соответствует требованиям, регламентируемым СанПиН 2.4.7/1.1.1286-03 «Гигиенические требования к одежде для детей, подростков и взрослых», что подтверждено результатами испытаний и экспертизы проведенных «Аккредитованным испытательным лабораторным центром ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в РТ». Из мехового полуфабриката из шкурок норки, полученного по предлагаемой технологии, изготовлено опытное меховое изделие. Производство мехового полуфабриката по разработанной технологии позволит улучшить эстетические свойства мехового изделия придать ему знаковость, оригинальность, обеспечить эргономическую приспособленность и совершенство производственного исполнения.
Общий экономический эффект от внедрения плазменной технологии в производство на стадии отделки мехового полуфабриката составляет: 2,5 млн. руб. в год.
Выводы
1. Впервые установлено, что комбинированная обработка: ВЧЕ плазмой с последующим нанесением нанопокрытий придает меховому полуфабрикату комплекс дополнительных эстетических характеристик (оригинальный цвет, дополнительный блеск, эффект перелива цветов, светоотражение).
2. Впервые установлено, что предварительная ВЧЕ плазменная модификация мехового полуфабриката в режиме Wp=1,2 кВт, =5 мин., Р=26,6 Па, G=0,04 г/с, f=13,56 МГц, (плазмообразующий газ – аргон) и последующая ВЧЕ плазменная модификация мехового полуфабриката в режиме Wp=0,98 кВт, =1 мин., Р=26,6 Па, G=0,04 г/с, f=13,56 МГц, (плазмообразующий газ – аргон) способствует повышению прочности сцепления осаждаемого покрытия с подложкой.
3. Установлено, что для придания комплекса дополнительных эстетических свойств меховому полуфабрикату (оригинального цвета, дополнительного блеска, эффекта перелива цветов, светоотражения) целесообразным является нанесение нанопокрытий методом конденсации из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки.
4. Впервые установлено, что формирование на поверхности волосяного покрова покрытия из металлов и их нитридов при следующих параметрах процесса осаждения из плазменной фазы: =2,5 мин., Р=0,6 Па, Uоп=10 В, Iдуги=65 А, (реакционный газ азот) приводит к снижению электрического потенциала, возникающего на поверхности волосяного покрова на 35% и уменьшению удельного поверхностного сопротивления волоса на 99%, за счет образования на поверхности волоса электропроводного слоя, при этом эффект ускоренного стекания зарядов статического электричества с поверхности мехового полуфабриката с нанопокрытием не зависит от вида меха. Кроме того, комплексная плазменная модификация приводит к увеличению устойчивости окраски волосяного покрова шкурок к сухому трению на 33%, повышению светостойкости окраски на 60%, прочности и относительного удлинения на 78,2% и 5%. Это позволит улучшить эстетические свойства мехового изделия придать ему знаковость, оригинальность, обеспечить эргономическую приспособленность и совершенство производственного исполнения.
5. Установлено соответствие мехового полуфабриката получаемого по разработанной технологии требованиям, предъявляемым к материалам, используемым при изготовлении одежды для детей, подростков и взрослых.
6. На основании проведенных исследований разработаны новые технологии отделки меха, позволяющие создать безопасный для здоровья человека меховой полуфабрикат, обладающий улучшенными физико-механическими и эстетическими характеристиками и обеспечивающие улучшение эстетических свойств меховых изделий в целом, придавая им знаковость, оригинальность, обеспечивая эргономическую приспособленность и совершенство производственного исполнения.
Выражаю благодарность научному консультанту к.т.н., доц. Панковой Е.А. принимавшей участие в постановке задачи работы, проведению экспериментов и обсуждению их результатов.
Работы по теме диссертации
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных
журналах, рекомендованных ВАК РФ, патенты
1. Панкова Е.А. Влияние металлических нанопокрытий на качественные характеристики волосяного покрова мехового полуфабриката/Е.А. Панкова, И.Ш. Абдуллин, В.А. Усенко, М.М. Миронов//Кожевенно-обувная промыш-ленность.-2010.-№1.-С.35-36.
2. Панкова Е.А. Изучение механизма формирования металлических нанопокрытий на поверхности волосяного покрова меха и их влияние на качественные характеристики мехового полуфабриката/Е.А. Панкова, И.Ш. Абдуллин, В.А. Усенко//Технология легкой промышленности.-2011.-№2.-С.77-80.
3. Абдуллин И.Ш. Влияние металлических нанопокрытий на электростатические свойства меха/И.Ш. Абдуллин, В.А. Усенко//Вестник Казанского технологического университета.-2010.-№11.-С.601-602.
4. Абдуллин И.Ш. Повышение конкурентоспособности отечественной меховой продукции за счет нанесения защитно-декоративных покрытий/И.Ш. Абдуллин, Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Вестник Казанского технологического университета.-2011.-№6.-С.60-63.
5. Абдуллин И.Ш. Нанесение вакуумно-плазменных покрытий на меховой полуфабрикат/И.Ш. Абдуллин, В.А. Усенко//Вестник Казанского технологического университета.-2010.-№11.-С.603-604.
6. Пат 110088 Ru. Устройство для нанесения покрытий в вакууме/В.А. Усенко; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технологический университет.-№2011113754; заявл. 08.04.2011; опубл. 10.11.2011
Материалы конференций, статьи
7. Панкова Е.А. Альтернативные методы крашения волосяного покрова мехового полуфабриката/Е.А. Панкова, И.Ш. Абдуллин, В.А. Усенко, А.Р. Ахмадиева//Новые технологии и материалы в производстве кожи и меха: сборник статей IV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. - Казань.-2008.- С. 206-209.
8. Абдуллин И.Ш. Металлизация меховых материалов методом магнетронного распыления/И.Ш. Абдуллин, Е.А. Панкова, В.А. Усенко// Материалы научной сессии КГТУ.-Казань.-2008.-С.304.
9. Панкова Е.А. Модификация меха в условиях плазменной обработки/Е.А. Панкова, И.Ш. Абдуллин, В.А. Усенко//Материалы IVмеждународной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности».-Казань.- Изд-во КГТУ.-2008.- С.204-206.
10. Усенко В.А. Метод финишной отделки волосяного покрова меха/В.А. Усенко, Е.А. Панкова, М.М. Миронов//Материалы международной научно-методической конференции «Достижения в области химической технологии и дизайна текстиля, синтеза и применения красителей».-Санкт-Петербург.-2009.-С. 89-90.
11. Абдуллин И.Ш. Создание меховых материалов экранирующих от электромагнитного излучения/И.Ш. Абдуллин, Е.А. Панкова, В.А. Усенко// Материалы научной сессии КГТУ.-Казань.-2009.-С.273.
12. Панкова Е.А. Нанесение металлических нанопокрытий методом магнетронного напыления/Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Материалы XIII международной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений-V Кирпичниковские чтения».-Казань.-2009.-С.46.
13. Панкова Е.А. Современные тенденции в отделке меха/Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Материалы V международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности».-Казань.-2009.-С.216-219.
14. Абдуллин И.Ш. Влияние металлических нанопокрытий на качественные характеристики мехового полуфабриката/И.Ш. Абдуллин, Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Материалы I Всеросийской научно-практической конференции с элементами научной школы «Наноматериалы, нанотехнологии, наноиндустрия.-Казань.-2010.- С.-19-22.
15. Усенко В.А. Модификация волосяного покрова меха нанесением ионно-плазменных покрытий/В.А. Усенко, Е.А. Панкова//Материалы международной научно-технической и образовательной конференции «Образование и наука производству».-Набережные Челны.-2010.-С.238-240.
16. Панкова Е.А. Нанесение нанопокрытий металлов на волосяной покров пушно-мехового полуфабриката методом ионно-плазменной конденсации/Е.А Панкова, В.А. Усенко//Материалы научно-практической конференции «Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий».-Казань.-2010.-С.71-75.
17. Панкова Е.А. Создание меховых материалов, устойчивых к биологическим воздействиям/Е.А. Панкова, И.Ш. Абдуллин, В.А. Усенко//Материалы научной сессии КГТУ.-Казань.-2010.-С.280.
18. Панкова Е.А. Улучшение потребительских свойств меха методом КИБ/ Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Материалы ХХХVII Международной конференции по физике плазмы и УТС.-Звенигород.- 2010.-С.285.
19. Панкова Е.А. Исследование возможности повышения эстетических и эксплуатационных характеристик мехового полуфабриката методом ионно-плазменного напыления/Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Мматериалы международной научно-технической конференции «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности».-Москва.-2010.-С.39-41.
20. Панкова Е.А. Исследование возможности повышения эстетических и эксплуатационных характеристик меха/Е.А. Панкова, И.Ш. Абдуллин, В.А. Усенко//Збiрник наукових праць III Мiжнародноi науково-практичноi конференцii "Сучаснi екологiчно безпечнi технологii вироббництва шкiри та хутра".-Киев.-2010.-С.60-61.
21. Панкова Е.А. Применение вакуумного напыления в меховой промышленности/Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Збiрник наукових праць III Мiжнародноi науково-практичноi конференцii "Сучаснi екологiчно безпечнi технологii вироббництва шкiри та хутра".-Киев.-2010.-С.114-117.
22. Панкова Е.А. Нанесение защитно-декоративных ионно-плазменных покрытий на основе нитрида титана на мех/Е.А. Панкова, В.А. Усенко//VI Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности» сб.статей.-2010.-Казань.-С. 334-338.
23. Панкова Е.А. Новейшие технологии финишной отделки меха/Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Материалы научной сессии КГТУ.-Казань.-2011.-С.321.
24. Панкова Е.А. Композиционные материалы на основе натурального меха как элемент отделки дизайнерского костюма/Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Материалы II международной научно-практической конференции «Проблемы дизайн-проектирования и оформления мусульманской одежды».-Казань.-2011.-С.64-66.
25. Абдуллин И.Ш. Инновационные технологии для финишной отделки пушнины/И.Ш. Абдуллин, Е.А. Панкова, В.А. Усенко//Материалы VII Всероссийской олимпиады и семинара с международным участием «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы».-Санкт-Петербург.-2011.-С.74.
Соискатель Усенко В.А.
Заказ № Тираж 100 экз.
Офсетная лаборатория КНИТУ 420015 г. Казань, ул. К.Маркса, 68
