Введение к работе
Актуальность темы.
В условиях перехода России к рыночным отношениям проблемы повышения качества отечественной обуви являются весьма актуальными, что обусловлено ситуацией, сложившейся в последнее время на рынке обуви в России.
Требования к качеству обуви включают не только прочность, красивый внешний вид, но и сохранение формы обуви и ее размеров в процессе носки. Поэтому материалы, применяемые для изготовления обуви, должны обладать хорошей формовочной способностью, хорошо деформироваться при растяжении, чтобы придать верху обуви форму колодки и быть пластичными, чтобы сохранить форму обуви во время носки. В тоже время материалы должны быть упругими и способными к восприятию циклических нагрузок.
Повысить качество изделий обувной промышленности возможно несколькими путями, например: изменив конструкцию изделия, применив новое оборудование, технологию обработки деталей и сборки конструктивно-технологических узлов, создав новые натуральные и искусственные материалы или придав используемым материалам новые, заданные свойства за счет их модификации.
Одним из перспективных направлений совершенствования производства материалов для обуви является обработка низкотемпературной неравновесной плазмой, создаваемой с помощью высокочастотного емкостного разряда пониженного давления (ВЧЕ разряд). Преимуществом этого метода является то, что он позволяет изменять физико-механические свойства материалов за счет модификации структуры поверхностных и глубинных слоев высокомолекулярных материалов. Такая разновидность плазменной обработки является одной из ключевых технологий, позволяющей создавать материалы с заданными характеристиками.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы создания новых обувных материалов на основе натуральной кожи с повышенными эксплуатационными и технологическими характеристиками за счет воздействия потока неравновесной низкотемпературной плазмы на детали верха обуви.
В диссертации изложены результаты работы автора за период 1999-2006 г. по комплексному экспериментальному и теоретическому исследованию процессов объемной обработки неравновес-
ной низкотемпературной плазмой материалов обувной промышленности на основе коллагенсодержащих компонентов.
Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете в рамках научно-исследовательского направления 1.01.03 Д по теме «Взаимодействие высокочастотного разряда с капиллярно-пористыми структурами» 2003 г. при поддержке гранта АН РТ № 06-6.4-113 и № 06-6.4-299 по теме «Высокочастотная плазменная струйная обработка твердых тел сплошной и капиллярно-пористых структур» 2002-2005 г. и гранта Министерства образования России по фонду исследования в области технических наук Т 02-10.3-796 по теме «Применение НТП в технологии изготовления обуви», а также в соответствии с тематическим планом НИР Казанского государственного технологического университета в рамках программы «Концепция развития кожевенно-обувного производства России на 2000-2005 гг.».
Цель и задачи исследования.
Целью работы является создание новых комплексных материалов обувной промышленности с повышенной формовочной способностью, позволяющих улучшить эксплуатационные и технологические характеристики изделий из кожи путем обработки неравновесной низкотемпературной плазмой деталей верха обуви из натуральных и искусственных коллагенсодержащих материалов.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
-
Анализ существующих способов повышения качества обувных материалов и обоснование предмета исследования.
-
Комплексные экспериментальные исследования параметров неравновесной низкотемпературной плазмы, создающей ионный поток на поверхность материалов с энергией ионов от 70 до 100 эВ и плотностью ионного тока 0,3-0,9 А/м2 в процессах обработки обувных материалов из натуральной кожи.
-
Теоретические исследования процессов обработки материалов обувной промышленности на основе разработки физической и математической моделей взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с натуральными и искусственными коллагенсо-держащими материалами.
-
Установление зависимостей изменения свойств материалов от характеристик ВЧ плазмы пониженного давления и закономерностей изменения формовочной способности комплексных обувных
материалов из натуральной кожи хромового дубления, применяемых в производстве верха обуви, от режимов плазменной модификации.
-
Экспериментальное исследование изменения показателей физико-механических свойств комплексных обувных материалов деталей верха и низа обуви клеевого метода крепления, свойств обувных клеев и клеевых швов за счет обработки их низкотемпературной неравновесной плазмой.
-
Исследование процесса плазменного воздействия на основные и вспомогательные обувные материалы из натуральной кожи с целью интенсификации жидкостных процессов производства полуфабриката и повышения физико-механических показателей материалов и изделий из них.
-
Разработка технологического процесса производства обуви клеевого метода крепления и технологии производства основных и вспомогательных материалов для верха обуви из шкур КРС с применением плазменной обработки.
-
Исследование свойств формоустойчивости и срока службы изделий, изготовленных по новым технологиям.
Методы исследований.
В диссертационной работе для решения поставленных задач применен комплекс современных методик исследований.
Для установления закономерностей влияния плазменной обработки на комплексные обувные материалы использовали следующие методы: ИК спектроскопия, рентгеноструктурный, рентгенос-пектральный анализ, электронная микроскопия,- электронно-парамагнитный резонанс (ЭПР), гравиметрический. Измерения показателей свойств обувных материалов проводили в соответствии с существующей нормативно-технической документацией.
Для решения поставленных задач по нахождению основных параметров потока плазмы, ответственных за модификацию свойств обувных материалов использован измерительный комплекс, состоящий из калориметрической системы, образцового манометра и ротаметра типа РМ-3, компрессионного вакуумметра, электронносчетного частотомера 43-44, электростатического кило-вольтметра С-50, магнитного зонда, электрического зонда, пояса Роговского, анализатора энергии ионов, голографического интерферометра, модифицированной трубки Пито.
Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с применением методов математической статистики. Теоретическое исследование процесса взаимодействия материалов обувной промышленности с низкотемпературной неравновесной плазмой проводилось путем математического моделирования.
Научная новизна.
-
Впервые разработаны научные основы создания новых материалов для производства обуви с повышенной формовочной способностью за счет обработки их ВЧ плазмой пониженного давления.
-
Впервые разработаны физическая и математическая модели процесса обработки материалов обувной промышленности ВЧ плазмой пониженного давления, с помощью которых обоснована возможность объемной модификации материалов за счет возникновения несамостоятельного электрического разряда, способного привести к модификации структуры в форме расщепления пучков волокон дермы и конформационных изменений в надмолекулярной структуре коллагена.
-
Впервые установлено, что за счет модификации структуры обувного материала, приводящей к дополнительному упорядочению структурных элементов в результате воздействия ВЧ плазмы пониженного давления, повышается пластичность материалов из натуральной кожи, применяемых в производстве обуви, что увеличивает их формовочную способность.
-
Впервые показано, что наиболее эффективно использовать ВЧ плазменную обработку в технологических процессах кожевенного производства, скорость которых, в первую очередь, определяется диффузией реагентов (дубителя, красителя, воды и растворов солей, кислот и оснований) вглубь материала. Определены режимы плазменной обработки кожевенного полуфабриката, позволяющие увеличить гидрофильность на 10-100 %, пористость на 30 %, термостойкость на 15-30 С.
-
Впервые получены модифицированные ВЧ плазмой пониженного давления новые клееные вспомогательные материалы для внутренних деталей верха обуви с улучшенными физико-механическими свойствами: прочность обувного картона марки СЦМ, С, ЗМ-1, МП увеличивается на 5-10%, относительное удлинение на 10-20%.
-
Разработаны новые материалы обувной промышленности, позволяющие повысить надежность обуви клеевого метода крепления: прочность клеевого соединения системы материалов верха и низа обуви в результате плазменной обработки увеличивается в 1,5-2 раза, теплостойкость клеевого шва в 2 раза, клеящая способность полиуретанового и полихлоропренового клеев в 1,5-2 раза.
-
Показано, что процессы адгезионного взаимодействия покрытия к коже и взаимодействия адгезива с материалами верха и низа обуви в результате ВЧ плазменной обработки носят одинаковый характер. Объемная обработка ВЧ плазмой пониженного давления натуральной кожи для верха обуви позволяет активировать реакционную способность материала.
-
Впервые установлено, что плазменная обработка комплексных материалов, включающих детали верха обуви из натуральных и искусственных коллагенсодержащих материалов, позволяет увеличить формоустойчивость изделий в процессе хранения и эксплуатации. Гибкость обуви увеличивается на 15-20 %, остаточная деформации подноска уменьшается на 40-50 %, остаточная деформация задника уменьшается на 30—40 %.
Практическая значимость работы:
-
В результате обработки ВЧ плазмой пониженного давления деталей верха обуви повышается ее формоустойчивость, что удлиняет срок службы, причем эффект плазменной обработки в течение первых 12 недель уменьшается на 3-4 %, затем стабилизируется и не изменяется.
-
На основе проведенных экспериментальных исследований характеристик потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления достигнуто комплексное улучшение свойств натуральной кожи для производства обуви: предел прочности при растяжении и прочность лицевого слоя увеличивается на 10-20 %, устойчивость покрытия к многократному изгибу на ,33 %, устойчивость к истиранию на 20-25 %, пористость на 30 %, термостойкость на 15-30 С, в зависимости от степени переработки материала, увеличена адгезия покрытия к коже в 2— 4 раза.
-
Плазменная обработка обувного кожевенного сырья и голья позволяет интенсифицировать процессы: отмоку в 5-6 раз, золение в 1,3—1,5 раз, обеззоливание в 6-7 раз, пикелевание в 1,5-2 раза, что приводит к сокращению продолжительности жидкостных процессов, снижению расхода химматериалов на 20-30 % и снижению
экологической нагрузки кожевенного производства на окружающую среду.
-
Разработаны рекомендации для применения плазменной обработки в подготовительных и отделочных процессах производства основных материалов из натуральной кожи для верха обуви с естественной и шлифованной поверхностью и вспомогательных клееных материалов на основе коллагенсодержащих компонентов.
-
На основании проведенных исследований разработана технология получения особо прочных адгезионных соединений деталей обуви с применением плазменной обработки, в результате использования которой прочность крепления деталей верха и низа обуви увеличивается в 1,5-2 раза.
-
Разработана опытно-промышленная ВЧ плазменная установка, позволяющая проводить обработку заготовки верха обуви из основных и вспомогательных материалов с целью улучшения эксплуатационных и технологических характеристик готовой обуви.
Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно-обоснованные технологические разработки, обеспечивающие решение ряда важнейших прикладных задач кожевенно-обувной промышленности, имеющих большое народнохозяйственное и социальное значение и заключающихся в создании комплекса новых технологических процессов создания обувных материалов из натуральных и искусственных коллагенсодержащих материалов с новыми заданными свойствами с помощью потока плазмы ВЧ разряда для улучшения формовочной способности материалов и формоустойчивости изделий из них.
На защиту выносятся:
-
Теоретические основы разработки комплексных материалов обувной промышленности, состоящих из деталей верха и низа обуви с повышенной формоустойчивостью за счет обработки их неравновесной низкотемпературной плазмой.
-
Основные закономерности повышения формовочной способности материалов из натуральной кожи и клееных материалов на основе коллагенсодержащих компонентов, применяемых в производстве обуви, в результате воздействия потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на детали верха обуви.
-
Результаты экспериментальных исследований эксплуатационных и технологических характеристик кож для верха обуви из шкур КРС с естественной и шлифованной лицевой поверхностью с
применением обработки потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления.
-
Результаты теоретических исследований, устанавливающие, что при взаимодействии обувных материалов с ВЧ плазмой пониженного давления создаются условия для пробоя в порах и капиллярах коллагенсодержащих материалов. Рекомбинация заряженных частиц, возникающая при пробое, приводит к объемной модификации этих материалов.
-
Физические закономерности комплексного изменения свойств кожевенных материалов при воздействии на них потока ВЧЕ плазмы, устанавливающие, что происходит модификация не только поверхностных слоев на геометрической границе, но и по всему объему внутри пор и капилляров.
-
Результаты экспериментальных исследований, показывающие, что плазменная обработка не вызывает деструкции и конфигурационных изменений коллагена, а приводит к расщеплению пучков волокон коллагена и конформационным изменениям микроструктуры, которые выражаются в разрыве слабых межфибриллярных водородных связей в приповерхностных слоях, прилегающих к порам, и повышении химической активности за счет образования свободных групп.
-
Результаты экспериментальных исследований надежности обуви клеевого метода крепления за счет увеличения прочности клеевого соединения деталей верха и низа обуви в результате воздействия потока плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на натуральные кожевенные материалы.
Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечивается: использованием современных аттестационных измерительных средств и апробированных методик испытаний согласно ГОСТам; анализом точности измерений; согласованностью теоретических результатов с собственными экспериментальными данными и данными эксперимента и теоретического расчета из литературных источников; использованием апробированных базовых методов математического моделирования и допущений, основанных на фундаментальных законах, а также современных численных методов решения физических задач.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на 3-й международной конференции «Физика плазмы» (Беларусь, Минск, 2000), 3-м международном симпозиуме по теоретической плазмохимии (Плес, 2002), международной конференции «Актуальные проблемы переработки льна» (Кострома, 2002), международной конференции «Актуальные проблемы науки, техники и экономики производства изделий из кожи» (Беларусь, Витебск, 2004), 32-й конференции по физике плазмы.и УТС (Звенигород, 2004, 2005), конференции по плазмохимии (Звенигород, 2004), межвузовской научной конференции «Вузовская наука- России» (Наб.Челны, 2005), международной конференции «Новые технологии и материалы в производстве кожи и меха» (Казань, 2005), 11-й международной конференции «Синтез, исследование свойств, модификации и переработка высокомолекулярных соединений» (Казань, 2004), 4-м международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 2005), семинаре «Новый век с новыми кадрами» (Казань, 2000), семинаре руководителей предприятий легкой промышленности (Казань, 2000), на ежегодной научной сессии КГТУ (Казань, 2000-2006).
Основные результаты изложены в 58 публикациях, в том числе в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторской диссертации - 10, одной монографии, двух патентах.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке цели и задач исследований, выборе методики эксперимента, непосредственном участии в их проведении, анализе и обобщении экспериментальных результатов, в разработке физической модели процессов обработки и формулировке выводов. Вклад автора является решающим на всех стадиях работы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографии (282 наименования) и приложения. Изложена на 307 страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков и 35 таблиц.
Похожие диссертации на Регулирование формовочной способности комплексных материалов обувной промышленности с применением неравновесной низкотемпературной плазмы
