Влияние неравновесной низкотемпературной плазмы на отмочно-зольные процессы производства кожи из шкур индейки

Содержание Реферат Основные условные обозначения и сокращения Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Низкотемпературная плазма и ее характеристики

1.2 Объемная модификация пористых полимерных материалов в ВЧЕ-разряде пониженного давления

1.3 Основы высокочастотной плазменной обработки пористых тел

1.4 Особенности структуры кожевенных материалов из шкур птиц

1.5 Анализ работ, связанных с исследованием шкур птиц в подготовительных процессах производства кожи

1.6 Выбор направления исследования

2. Методы и объекты исследования

2.1 Выбор и характеристика объектов исследований

2.2 Выбор шкур индеек для исследования

2.3 Выбор методов исследований

2.4 Методика подготовительных процессов производства кожи из шкур индейки

3. ВЧ плазменная обработка материалов с волокнисто пористой структурой

3.1 Плазменная установка для обработки волокнистых материалов

3.2 Режимы обработки НТП шкурок индеек перед подготовительными процессами производства кожи

4. Результаты исследований

4.1 Определение температуры сваривания шкурок индейки

4.2 Определение содержание влаги шкурок индейки

4.3 Статистическая обработка данных

4.4 Исследование структуры дермы шкурок индейки до и после обработки ННТП Вывод Список использованных источников плазменная обработка кожа низкотемпературная

Реферат Отчет о бакалаврской работе содержится 50 страниц, 14 рисунков, 4 таблицы, 6 формул, 16 использованных источников.

КОЖА ИЗ ШКУР ПТИЦ, СТРОЕНИЕ ДЕРМЫ, ШКУРКИ ИНДЕЙКИ, НЕРАВНОВЕСНАЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА, ТЕМПЕРАТУРА СВАРИВАНИЯ, СОДЕРЖАНИЕ ВЛАГИ.

Целью данной работы является изучение влияния неравновесной низкотемпературной плазмы на отмочно-зольные процессы производства кожи из шкур индейки. Проведен анализ литературы, проведены экспериментальные исследования по определению температуры сваривания и содержания влаги, сделан выбор оптимального режима обработки НТП шкурок индейки.

В результате проведенной работы было выяснено, что неравновесная низкотемпературная плазма влияет на структуру дермы шкур индейки мокросоленого способов консервирования.

Основные условные обозначения и сокращения

Введение

При пошиве верхней одежды, особенно в эксклюзивных дизайнерских моделях, наряду с традиционными и масштабно выпускаемыми видами, используются и кожи редких экзотических животных. Такой материал производится штучно, небольшими партиями, а вещи, изготовленные из него, стоят намного дороже, чем товары массового производства.

Одежда из экзотических видов животных, таких как крокодил, питон, страус, индейка, анаконда, аллигатор, кайман, угорь, игуана, скат, подводная змея, кожа рыбы (осетр, сазан, семга, щука), олень, лось и др. прочно вошла в современную моду. Многие современные дизайнеры, например, Hermes, Dior, Versace, Dolce & Gabbana и др., в своих коллекциях используют изумительно привлекательную своей структурой натуральную кожу экзотических животных.

В последнее время все больше и больше людей в нашей стране взялись за разведение индеек, с целью получения от них высококачественного мяса, шкуры и перьев. Шкуры индейки по своему составу и свойствам схожи с кожей страуса.

Все большей популярностью у дизайнеров со всего мира пользуется редкая и экзотическая кожа страуса. Уникальная фактура, мягкость и гибкость страусиной кожи делают ее отличным материалом для одежного, обувного и галантерейного производства.

Возможности использования кожи страуса с области спины и грудной части птиц практически безграничны: куртки, плащи, юбки, жакеты, головные уборы, перчатки, портфели, сумки, обувь, ремни, обивка мебели, обивка автомобилей — далеко не полный перечень производимых из нее товаров. Средняя площадь шкуры страуса составляет 0,7 — 1,5 м² в зависимости от размера птицы. Кожа страуса с ног птицы имеет свою неповторимую чешуйчатую фактуру и идеально подходит для изготовления обуви, ремней, сумок и прочих аксессуаров, включая отделку автомобиля. Кожа страуса со спинной и грудной области имеет гладкую поверхность с характерными мешочками — фолликулами, образующимися у основания ствола пера. Количество фолликул на коже является, практически, постоянной величиной, поэтому птица, с более компактным телосложением, обеспечивают лучшее качество кожи. Кожа страусов легко отличить от подделки, поскольку имитированные фолликулы не возвышаются над поверхностью кожи и не издают характерного скрипа, который слышен, если поглаживать настоящую кожу кончиками пальцев. Страусиная кожа относится к продуктам наивысшего качества и в последнее время с успехом вытесняет с рынка кожи животных, занесенных в список охраняемых.

Низкотемпературная плазменная (НТП) модификация является активно развивающимся направлением современного материаловедения. Плазменные технологии позволяют осуществить преобразования микроструктуры и химического состава материалов. Эффективность плазмы ВЧ разряда пониженного давления в качестве инструмента модификации материала биологического происхождения обусловлена особенностями процессов, протекающих в разряде и стоит отметить, что в ходе обработки осуществляется не только поверхностная, но и объемная модификация[2].

В проведенных работах [3, 4] установлено, что под воздействием плазмен-ной обработки происходит увеличение суммарной пористости материала, за счет интенсивного воздействия ВЧ плазмы пониженного давления на внешнюю поверхность и внутренний объем пор.

Современные кожи производятся в соответствии с точными техническими спецификациями и заранее известными конечными требованиями. При этом важную роль играет выпуск высококачественных артикулов за максимально короткий промежуток времени, при минимальных материальных, трудои энергозатратах, чтобы обеспечить экономическую эффективность производства и конкурентоспособную цену на готовую кожу. Характерной особенностью кожевенного материала, является его волокнистая капиллярно-пористая структура.

Традиционные методы обработок капиллярно-пористых высокомолекулярных материалов осуществляются с использованием химических реагентов, что ведет к загрязнению окружающей среды. Кроме того они не удовлетворяют требованиям к потребительским свойствам натуральных капиллярно-пористых материалов легкой промышленности.

В качестве альтернативы механическим, физическим, химическим и биохимическим методам улучшения качества капиллярно-пористых тел особое положение приобретает воздействие низкотемпературной плазмы. С ее помощью можно решить ряд задач:

— придать поверхности полимерных материалов адгезионные свойства, необходимые для нанесения покрывных композиций;

— улучшить технологические и потребительские свойства кожи (регулировать гидрофильность, увеличить грязеотталкивание, уменьшить усадку, отдушистость и т. д.);

— удалить органические соединения;

— улучшить физико-механические свойства кожи.

Таким образом плазменная обработка обладает целым рядом достоинств и является самым перспективным и эффективным методом улучшения качества капиллярно-пористых тел.

Работа направлена на решение актуальной проблемы создания технологии отмочно-зольных процессов производства кожи с применением потока низкотемпературной плазмы пониженного давления, с целью получения кожевенного полуфабриката из шкур индейки, обладающего улучшенными технологическими и потребительскими свойствами.

1. Аналитический обзор

1.1 Характеристики НТП и ее влияние на волокнисто пористые материалы Под плазмой понимают квазинейтральную среду, содержащую положительно и отрицательно заряженные частицы. Газоразрядная плазма, которая реализуется при низких давлениях — это частично ионизованный газ (степень ионизации меньше 10−4), в котором концентрация заряженных частиц (электронов, положительных и отрицательных ионов), достаточная для обеспечения квазинейтральности, поддерживается за счет ионизации атомов и молекул плазмообразующего газа ударами электронов, ускоряемых во внешнем электрическом поле. Это поле может быть постоянным (разряд постоянного тока) и переменным (высокочастотный, сверхвысокочастотный разряд и разряд оптического диапазона)[5].

Ввиду большого различия в массах заряженных частиц энергию от внешнего поля приобретают преимущественно электроны. Их столкновения с частицами плазмообразующего газа приводят к ионизации (образованию электрона и положительного иона), и условием стационарного существования плазмы является равенство скоростей образования и гибели заряженных частиц. Поскольку энергия ионизации молекулы превышает энергию возбуждения любых ее внутренних степеней свободы, то в плазме одновременно происходят образование вращательно-, колебательнои электронно-возбужденных состояний молекул, в том числе и излучающих, а также их распад (диссоциация). Образовавшиеся под действием электронного удара частицы могут реагировать как между собой, так и с материалами, находящимися в контакте с плазмой. Таким образом, плазма представляет широкий набор химически активных частиц, источником образования которых является не тепловая, как в классических технологических процессах, энергия, а энергия внешнего электрического поля. Это же обусловливает еще одну важную особенность такой системы — ее неравновесность. Непрерывно приобретая энергию, электроны путем соударений передают ее атомам и молекулам. Однако ввиду относительно низкой эффективности этой передачи возникает большая разница между поступательной энергией электронов и тяжелых частиц. Функция распределения электронов по энергиям не является максвелловской, то есть ее нельзя характеризовать таким параметром, как температура. Она начинает зависеть от состава газовой фазы и напряженности электрического поля. Если пересчитать среднюю энергию электронов в соответствующие тепловые единицы, то типичные значения «температуры» электронов составят 30 000−100 000 K. При этом температура, соответствующая поступательной энергии тяжелых частиц, мало отличается от комнатной. По этой причине газоразрядную плазму низкого давления еще называют низкотемпературной или холодной. Сочетание низкой газовой температуры с высокой химической активностью делают такую плазму перспективным инструментом для обработки нетермостойких материалов, и в частности полимерных.

Необходимо отметить еще одно важное преимущество низкотемпературной плазмы, связанное с ее неравновесностью. Известно, что в химической реакции принимают участие не все частицы, а только те, энергия которых (поступательная или внутренняя) превышает определенную величину (энергию активации реакции). В равновесных условиях тепловая энергия статистически распределяется по всем степеням свободы частиц в соответствии с законом Максвелла-Больцмана. Согласно этим законам, все компоненты раствора, даже не принимающие непосредственного участия в целевой химической реакции, получают энергию, а концентрации возбужденных состояний частиц, которые и являются наиболее реакционноспособными, всегда меньше, чем концентрации частиц в основных состояниях. По этой причине энергетическая эффективность химических реакций (отношение энергии, затрачиваемой на осуществление реакции к полной) является невысокой. Для неравновесных условий имеется возможность селективного направления потока энергии для активации нужных компонентов химически реагирующей системы. Сказанное справедливо для всех неравновесных систем, например радиационных и фотохимических. Что касается низкотемпературной газоразрядной плазмы, то такое управление возможно путем выбора соответствующих внешних ее параметров.

1.2 Объемная модификация пористых полимерных материалов в ВЧЕ-разряде пониженного давления Данные о параметрах ВЧ-разрядов пониженного давления с продувом аргона позволяют сделать оценки величин энергий процессов, которые могут оказывать влияние на модификацию материала. Поток энергии рекомбинации, переносимый ионами аргона при их однократной ионизации, составляет Qрек = • Гi = 12,6· 103, Вт/м2, где - энергия ионизации, Гi — плотность потока ионов. При единичном акте рекомбинации выделяется энергия для аргона, равная 15,76 эВ. Тепловой поток составляет (5

· 103−5

· 105) Вт/м2, а поток светового излучения — 4−6% от теплового, поток энергии от возбужденных атомов с учетом данных, не превышает 3•103 Вт/м2. Расчеты, произведенные по методике [9], для условий, соответствующих обработке изделий в ВЧ-разрядах пониженного давления, показывают, что энергия возбужденных атомов, передаваемая атомам тела, не превышает 3−5 эВ, а кинетическая энергия атомов при скорости ~ 500 м/с достигает 10−3 эВ.

Результаты исследований газодинамики плазменного потока показывают, что ударные волны в окрестности обрабатываемого изделия не возникают и, следовательно, температура атомов и ионов в этой области не может резко подняться. Энергия электронов в плазме ВЧ-разрядов пониженного давления больше, чем энергия ионов, и составляет 3−4 эВ. Однако в связи с наличием у тела, помещенного в плазму, отрицательного потенциала существенного влияния на изменение свойств обрабатываемого материала электроны не оказывают.

Наибольший вклад в объемную модификацию пористых материалов при обработке их неравновесной низкотемпературной плазмой могут вносить следующие процессы: передача кинетической энергии, приобретенной ионами в слое положительного заряда (СПЗ), рекомбинация ионов, дезактивация возбужденных атомов на поверхности, тепловой поток. Ионы, попадая в СПЗ, приобретают дополнительную энергию от 10 до 100 эВ, что недостаточно для реализации процессов ионной имплантации и ионно-стимулированных структурных превращений.

Образец материала, помещенный в поток ВЧ-плазмы пониженного давления, представляет собой дополнительный электрод, поэтому процесс взаимодействия плазмы с материалом можно описать, используя понятия и результаты теории приэлектродных зон.

Рассмотрим на качественном уровне процесс взаимодействия плазмы ВЧЕ-разряда с капиллярно-пористым телом на примере образцов кожевенного материала. Известно, что кожевенный материал представляет собой серийную пористую систему, как минимум бипористую. Размер пор в данном материале сравним с длиной свободного пробега электронов и ионов, которая при вышеуказанных параметрах плазмы составляет ~ 1 мкм. Образцы материалов, обрабатываемых в ВЧ-плазме, являются плоскими, их толщина составляет 0,5−6,0 мм. Как ранее описывалось, в ВЧЕ-разряде электроны, следуя за изменением знака электрического поля, совершают «качания» относительно малоподвижных ионов. Плоский образец, помещенный в ВЧЕ-разряд, рассекает электронное облако на две части, каждая из которых продолжает совершать «качания» в своем промежутке (рисунок 1). Таким образом, с противоположных сторон образца в виде пластины поочередно создается слой положительно заряженных ионов.

В момент касания такой 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 плоского образца постепенно уменьшается до некоторого минимального значения.

Следовательно, в каждый момент времени заряды разных сторон плоского образца отличаются друг от друга. И, поскольку обрабатываемые материалы относятся к диэлектрикам, систему «СПЗ — диэлектрик — СПЗ» можно рассматривать как конденсатор. Подобная картина образования СПЗ характерна для обработки любого плоского образца материала с диэлектрическими свойствами как пористой, так и сплошной структуры.

Рисунок 1 — Схема «качаний» электронного газа в ВЧЕ-разряде пониженного давления с обрабатываемым материалом Таким образом, можно предположить, что пора обрабатываемого полимерного материала, помещенного в ВЧЕ-разряд, представляет собой дополнительный («встроенный») разрядный объем ВЧЕ-типа (близкий по параметрам к ВЧЕ-разряду с изолированными электродами). Давление газа в поре соответствует давлению в разрядной камере. К разрядному объему приложена разность потенциалов с частотой, соответствующей частоте внешнего разряда. Внутри поры идут процессы, характерные для большого разряда — направленное движение заряженных частиц в соответствии с частотой ВЧ поля. Пористый материал, помещенный в ВЧЕ-разряд, в целом, представляет собой каскад разрядовых объемов («малых конденсаторов») с регулярностью, соответствующей структуре материала.

В ВЧЕ-разрядах с изолированными электродами электроны, попадающие на поверхность диэлектрика, «прилипают» к поверхности. Диэлектрик при этом заряжается отрицательно до тех пор, пока возникающее поле не начинает отталкивать последующие электроны. Причем поверхность диэлектрика способна воспринять все электроны, которые содержались бы в приэлектродном слое. Распределения поля и потенциала по длине разрядового промежутка для ВЧЕ-разрядов с оголенными и изолированными электродами одинаковы. Хотя прямым путем это не наблюдалось, косвенные экспериментальные подтверждения тому имеются. Заметного различия между электродными и безэлектродными ВЧЕ-разрядами в опытах не обнаружено.

Если к подобной системе с изолированными электродами приложить постоянное пробивающее напряжение, в газе происходит пробой. После этого электроны из промежутка «прилипают» к диэлектрику, покрывающему положительный электрод. Возникшее поле этого заряда, будучи направленным в область промежутка противоположного приложенному, частично уничтожает последнее. Поле в промежутке снижается до значения, недостаточного для поддержания ионизации, а может быть, и полностью исчезает, и вскоре все прекращается. Как показывает опыт, такая «диэлектрическая ячейка» может после этого сколь угодно долго «держать» приложенное сверхпробивное напряжение без повторения пробоя или протекания сколько-нибудь заметного тока.

Кожевенный материал является бипористым и обладает двумя классами пор, первичной и вторичной пористостью (по аналогии с первичными и вторичными коллагеновыми волокнами). Первичные поры — микропоры размерами менее 1 мкм и вторичные поры — макропоры размерами 1−100 мкм. Так как при применяемых параметрах плазмы длина свободного пробега электронов и ионов плазмы составляет ~1 мкм, в разрядовых объемах вторичных пор, диаметр которых больше длины свободного пробега, создаются условия для возникновения самостоятельного ВЧЕ-разряда с соответствующими геометрии поры и материалу стенок параметрами.

В первичных же порах, диаметр которых меньше величины свободного пробега, возникает несамостоятельный ВЧЕ-разряд, поддерживаемый эмиссией заряженных частиц из разрядовых пространств граничащих с ними вторичных пор.

Таким образом, пористый кожевенный материал, помещенный в ВЧЕ-разряд представляет собой двухуровневый комплекс ВЧЕ-безэлектродных разрядников, в которых поддерживаются стабильные самостоятельные и несамостоятельные разряды. Следовательно, элементарные разрядовые процессы в каждой поре (ячейке материала) подчиняются тем же закономерностям, что и ВЧЕ-разряд между электродами.

После формирования СПЗ около поверхности материала, система «СПЗ — диэлектрик — СПЗ» приобретает сходство с конденсатором, при этом функции электродов выполняют плазменные слои. Поровые пространства, заполненные преимущественно плазмообразующим газом, выполняют функции разрядового промежутка.

Если предположить, что в поре кожевенного материала возможен ВЧЕ-разряд безэлектродного типа, то после пробоя поверхность стенок поры заселяют электроны. Внутренняя поверхность материала заряжается отрицательно. При этом потенциал заряда противоположных стенок поры, ориентированных относительно плоскости материала (а следовательно относительно направления электрического поля), будет зависеть от знака электрического поля внешнего разряда. Достигая стенки поры, ион рекомбинирует с выделением энергии рекомбинации. Схема разрядных процессов в поре кожевенного материала представлена на рисунке 2.

В отличие от «большого» разрядового промежутка между фиксированными ВЧ-электродами, элементарные процессы в поре (ионная бомбардировка — 30−90 эВ, рекомбинация для аргона — 15,76 эВ) влияют на геометрию гибких стенок коллагеновых пор, а в частности на их диаметр, чем и объясняется процесс физической модификации материала при ВЧЕ-плазменной обработке.

Рисунок 2 — Схема разрядных процессов в поре кожевенного материала при обработке в ВЧЕ плазме Получаем, что система ВЧЕ-разрядников в порах кожевенного материала претерпевает динамические изменения в ходе обработки. Сжимаясь и расширяясь, поры меняют характеристики происходящих в них разрядовых процессов. Так как пластичная бипористая система кожи взаимосвязана, на разрядовые процессы в поре оказывают влияние аналогичные процессы в соседних порах. Отсюда же следует, что процессы во вторичных порах оказывают влияние на составляющие их первичные поры, а также на характеристики происходящих в них разрядных процессов, и наоборот.

Для подтверждения о возможности модификации кожевенного материала за счет возникновения ВЧЕ-разряда безэлектродного типа в порах рассмотренны основные характеристики слоя положительного заряда у поверхности образца.

Внутри обрабатываемого изделия существует электрическое поле, обусловленное разностью электрических потенциалов, создаваемых плазменными слоями с разных сторон от его поверхностей.

Максимальная разность потенциалов плазмы с противоположных сторон плоского образца составляет величину ~ 80 В. Амплитуда напряженности электрического поля, создаваемого этой разностью потенциалов внутри пористого материала при толщине 1−2,5 мм, достигает величины (2,5−6,5)

· 104 В/м. Этого достаточно для пробоя газовых промежутков в порах. Поскольку пробой газа в ВЧЕ-разряде происходит при значении E/P ~ 10 В/мПа, напряженность электрического поля, создаваемого внутри пористого объема, действительно достаточна для пробоя находящегося там газа.

Данная ситуация характерна именно для высокочастотного поля. В постоянном электрическом поле, например в тлеющем разряде, противоположные поверхности изделия заряжаются до приблизительно одинакового потенциала; в результате напряженность электрического поля внутри тела практически равна нулю.

Таким образом, при обработке пористых тел в плазме ВЧЕ-разряда пониженного давления, в отличие от других видов газовых разрядов, возможно проведение объемной обработки.

Проведенные измерения показали, что в процессе обработки материал подвергается воздействию ионных потоков со средней энергией ионов от 10 до 100 эВ при плотности ионного тока 0,1−3 А/м2, напряженности магнитного поля 30−200 А/м. Температура образца при этих параметрах изменяется от 20 до 100 0С. Данный температурный режим является оптимальным, поскольку речь идет о модификации материала белкового состава, чувствительного к термическим воздействиям.

Из плазмы на внешнюю поверхность пористого материала поступают потоки заряженных частиц — импульсно-периодический поток электронов (в момент касания электронным облаком поверхности тела) и непрерывный поток ионов. Подобное воздействие способствует сжатию материала.

При модификации поверхности стенок пор соотношение вкладов указанных механизмов воздействия активных частиц плазмы изменяется. Максимальную концентрацию электронов в порах и капиллярах можно оценить из данных, приведенных на рисунок 3.

Рисунок 3 — Зависимость концентрации электронов от напряжения на электродах в ВЧЕ разряде в аргоне, GAr = 0,08 г/с, Р = 13 Па, f = 13,56 МГц Таким образом, воздействие ВЧ-разряда на высокомолекулярные материалы имеет единую природу, и основными процессами, ответственными за модификацию волокнистых материалов, являются рекомбинация ионов на материал и бомбардировка его внутренней и внешней поверхности низкоэнергетичными ионами. При этом характер взаимодействия определяется свойствами слоя пространственного заряда, возникающего у поверхности обрабатываемого тела.

1.3 Основы высокочастотной плазменной обработки пористых тел В отличие от других видов неравновесной низкотемпературной плазмы, обработка с помощью ВЧ плазмы пониженного давления позволяет производить объемную модификацию пористых тел, в результате чего происходят такие изменения физико-механических характеристик, которые получить другими методами невозможно. Обработка ВЧ плазмой пониженного давления позволяет улучшить одновременно несколько свойств материала, не ухудшая остальные свойства.

Воздействие плазмы на материал осуществляется в результате ряда сложных, взаимосвязанных процессов обмена частиц плазмы с атомами обрабатываемого тела. При плазменной обработке происходит взаимодействие материалов с активными и неактивными частицами плазмы, имеющими высокую кинетическую или потенциальную энергию. Различают физическое и химическое взаимодействия частиц.

При химическом взаимодействии активные частицы имеют высокую потенциальную энергию, определяемую наличием ненасыщенных химических связей. Взаимодействие таких частиц с обрабатываемым материалом ведет к формированию химических соединений.

При физическом взаимодействии частицы обладают в основном кинетической энергией, которая может превышать тепловую. Заряженные частицы имеют также высокую потенциальную энергию — энергию рекомбинации. В связи с этим частицы приобретают способность при соударении с твердым телом физически распылять материал.

В процессах плазменной обработки можно выделить преимущественный механизм, определяющий эффективность их протекания. В зависимости от свойств низкотемпературной плазмы и зарядового состояния обрабатываемого материала определяется основной механизм взаимодействия и вид частиц, вносящих наиболее существенный вклад в модификацию поверхности. Выделяют следующие разновидности физического взаимодействия:

— бомбардировку материала ионами инертных газов;

— бомбардировку материала электронами плазмы;

— дезактивацию возбужденных атомов инертного газа;

— воздействие теплового потока на материал;

— воздействие различных видов излучения. 2, c.65]

1.4 Особенности структуры кожевенных материалов из шкур птиц Кожа птиц тонкая, сухая, практически лишена кожных желез. Поверхност-ные слои клеток эпидермального слоя ороговевают. Соединительнотканный слой кожи подразделяется на тонкую, но довольно плотную собственно кожу, в которой проходят кровеносные сосуды, укреплены окончания контурных перьев и расположены пучки гладких мускульных волокон, меняющих положение перьев, и подкожную клетчатку — рыхлый слой, непосредственно прилегающий к туловищной мускулатуре; в нем откладываются запасы жира. Единственная кожная железа птиц- копчиковая — лежит на хвостовых позвонках. Она вырабатывает жироподобный секрет, выделяющийся через протоки, когда птицы надавливают на железу клювом. Птицы смазывают этим секретом перья.

Разрастания ороговевающего эпидермального слоя кожи образуют роговой покров клюва — рамфотеку. Роговые чешуйки рептильного типа покрывают пальцы, цевку, а иногда и часть голени. Последние фаланги пальцев ног покрыты роговыми когтями. У самцов некоторых птиц (например, у фазановых) на цевке образуется костный вырост, покрытый острым роговым чехлом, — шпора. Специфический для птиц перьевой покров — тоже роговые образования эпидермального слоя кожи[12].

1.5 Анализ работ, связанных с исследованием шкур птиц в подготовительных процессах производства кожи Автором статьи показано влияние неравновесной низкотемпературной плазмы на подготовительные процессы производства кожи из шкур страуса.

В этой работе исследовалось влияние плазменной обработки в емкостном разряде на обводненность сырья из шкур страуса.

Обработку плазмой образцов из шкур страуса проводили в сырье до процесса отмоки, варьируя параметры режима. Были выбраны наиболее оптимальные режимы плазменной обработки для создания гидрофильной пористой структуры шкуры страуса перед отмокой:

Получение гидрофильной структуры исследуемых образцов шкур страуса контролировали по показателю обводненности (содержание влаги в структуре дермы) после процесса отмоки.

Анализируя, полученные результаты, было отмечено, что оптимальным режимом плазменной обработки шкур страуса является первый режим.

Обводненность образцов шкур страуса обработанных плазмой по режиму 1 достигла 66% через 8 часов, обводненность образцов обработанных плазмой по режиму 2 достигла 65,7% через 10 часов, обводненность контрольных образцов без плазменной обработки достигла 66,3% только через 12 часов, таким образом можно отметить, что плазменная обработка шкур страуса также способствует сокращению продолжительности отмоки на 30%.

На основании проведенных исследований было установлено, что первый режим плазменной обработки Аг 70% + 30%возд, Q = 0,04 г/с, I = 0,8 A, U = 7,5 kB, W = 2,15 кВт, t = 7 мин является оптимальным для создания гидрофильной пористой структуры дермы для шкур страуса.

Кожа из шкур страуса является одним из экзотических видов отделочных материалов в производстве галантерейных и обувных изделий. Поскольку шкуры индейки, которые ранее никогда не использовались для выпуска кожи, являются родственными шкурам страуса, представило интерес провести исследования по получению кожевенного материала из шкур индейки с использованием НТП.

1.6 Выбор направления исследования Разведением индеек занимаются не только с целью получения мяса, но и кожи хорошего качества. Изделия из кожи индеек встречаются на рынке кожгалантереи в настоящее время сравнительно редко.

Кожа индейки имеет оригинальную фактуру, которая придаёт ей индивидуальность и изысканный вид. Хорошо выделанная кожа мягкая и приятная на ощупь.

Кожа индеек имеет определенную текстуру. На спине и груди кожа индейки имеет гладкую поверхность с мешочками, так называемыми фолликулами, которые находятся у нижней части перьевого ствола. Кожа индейки на ногах имеет на поверхности оригинальный чешуйчатый рисунок. Приблизительно около трети кожи индейки содержат фолликулы. Количество фолликул на коже индейки остаётся неизменным в течении всей ее жизни и с изменением возраста не меняется. Шкура индейки поддаётся выделке и обработке, хотя этот вид кожевенного производства считается сложным. В зависимости от условий содержания, кормления птицы и других её генных характеристик кожа индейки в возрасте 1 года обычно имеет общую площадь 0,5 м². Из кожи индейки выделанной с поверхности спины и грудины производят практически любые вещи. Чем лучше и плотнее узор созданных фолликулами на поверхности кожи, тем дороже она ценится.

Натуральную кожу индейки можно с лёгкостью отличить от искусственной по тому признаку, что искусственные фолликулы не создают характерного скрипа при трении оригинальной кожи пальцами. К тому же искусственные фолликулы не возвышаются над основанием кожи. Своеобразность фактуры, хорошие физические свойства способствуют всё большему применению кожи индейки для производства различных товаров. .

Кожа индейки легко красится в любые цвета и поддаётся выделке. Эта кожа привлекает к себе всё больше поклонников так как имеет одновременно прекрасную упругость в сочетании с одновременной мягкостью и прочностью. В ней первоначально от природы содержится достаточно натуральных маслянистых веществ, благодаря чему на её поверхности почти не появляется трещин и на ней не появляется много царапин. Из шкуры индейки после качественной выделки получается очень мягкая кожа, которая благодаря потяжки и прекрасно принимает любую форму. А специфический рисунок в виде пузырьков у основания перьев делает подделку кожи индейки очень сложной.

Поскольку шкуры индейки, которые ранее редко использовались для выпуска кожи, являются родственными шкурам страуса, представило интерес провести исследования по влиянию НТП на подготовительные процессы производства кожи из шкур индейки с целью интенсификации этих процессов за счет более сильного разделения структуры.

2. Методы и объекты исследования

2.1 Характеристика объектов исследований Индейка — крупная птица сельскохозяйственного назначения, принадлежит к отряду куриных, семейству индеек, роду североамериканских. Свое происхождение индейка ведёт из западного полушария.

Индейки обладают значительной живой массой, имеют крепкие ноги, мощные крылья, весьма быстро бегают и способны взлетать на высокие деревья.

В Европу в первый раз индейки были привезены испанцами, они весьма быстро распространились по всей европейской территории и в настоящее время их размножают практически на всех континентах земного шара.

С момента возникновения индеек в Европе выведено несколько их различных видов, в том числе кембриджские бронзовые, норфольские чёрные, белые австрийские, палевые, голубые, бельгийские разной окраски. В наибольшей степени распространенными являются бронзовые индейки, в основном широкогрудые, белые белствильские, белые голландские, наррагантсетские красные, чёрные и аспидные.

Еще четверть века назад в нашей стране индеек разводили в основном в южных районах. Сейчас эта птица водится во многих местах. Индеек, которые разводятся в Россия, классифицируют по происхождению и породам: английские (белые), американские (белые и бронзовые), голландские (белые), русские (белые и бронзовые московские, белые и бронзовые северокавказские, чёрные тихорецкие, кубанские, сталинградские) и местные. В личных подсобных хозяйствах чаще всего встречается порода белая широкогрудая. Эта птица отличается высокой массой и хорошими мясными формами. Пользуются спросом северокавказские белые и бронзовые индейки — жизнеспособные и неприхотливые к кормам.

Бронзовые индейки — выведены путем скрещивания диких американских индеек с черными английскими. Это крупные, крепкие птицы. Вес индейки достигает 9 кг, индюка 16 кг.

Северокавказские индейки — разводятся в Ставропольском и Краснодарском краях. Эта породная группа выведена путем скрещивания местных кавказских индеек с индюками бронзовой породы. Северокавказские индейки хорошо приспособлены к пастбищному содержанию в степных районах юга. Окраска оперения бронзовая с зеленовато-золотистым блеском. Индюки весят в среднем 12,1 кг, индейки 5,9 кг.

Московские бронзовые индейки — выведены скрещиванием местных индеек Московской области с бронзовыми индюками, завезенными с Северного Кавказа (1946—1947 гг.), и дальнейшим разведением помесей «в себе».

Цвет оперения бронзовых индеек черный с блестящим бронзовым оттенком, хвост черный со светло-бурыми полосами в каждом пере, в нижней части шеи пучок черных волосообразных нитей.

Московские белые индейки — получены скрещиванием местных индеек с индюками голландской и белтсвильской пород (1947—1949 гг.) и последующим разведением помесей «в себе». Птица крепкого телосложения, корпус длинный и глубокий, с хорошо развитой грудью.

У белых индеек оперение нежно-белого цвета. В нижней части шеи волосообразный пучок черных нитей. Клюв и ноги розового цвета.

Средний живой вес взрослых московских индеек (2—3 лет) составляет у индюков до 18, а у индеек 8—9 кг.

Шкура индейки является сырьем для выделки роскошной лакированной кожи. Она плотная, прочная, но исключительно тонкая, используется для изготовления сумок, кошельков. Кожа индейки имеет гладкую поверхность с характерными фолликулами, образующимися у основания ствола пера. Чем отчетливее и плотнее рисунок фолликул на коже, тем выше ее цена.

Наивысшего качества кожа достигает у птицы в возрасте 10−14 месяцев, когда она уже хорошо развита, но еще не потрепана и не имеет механических повреждений. От одной индейки получают кожу площадью 0,5 м².

Главными импортерами кожи индейки являются страны с ориентацией на развитие моды, к которым относятся Франция, Германия, Италия, Япония и США.

Кожа индейки уникальна, тем, что несмотря на ее значительную толщину, она удивительна мягкая и ее носкость составляет около 30 лет (для сравнения: носкость коровьей кожи — 5−6 лет). Кожа индейки легко поддается обработке и пригодна для изготовления широкого ряда изделий.

2.2 Выбор шкур индеек для исследования В качестве объектов исследования выбрали шкурки индейки «Московской белой». В РФ они достаточно широко распространены. Качество этой породы заключаются в крепком телосложении индюков, хорошей яйценоскости и отличных воспроизводительных данных. Крепкие, выносливые, имеют тонкий костяк, мясо их обычно нежное и вкусное. У них белое и блестящее оперение, белая кожа. Плюсны и пальцы палево-розоватого цвета, глаза темно-коричневые, клюв светло-коричневый с красноватым оттенком, пучок нитевидных перьев на груди чёрного цвета. Живая масса индюков доходит до 18 кг, у индюшек 8—9 кг.

Московская белая порода индюков получила широкое распространение среди отечественных птицеводов-любителей благодаря хорошей акклиматизации птиц и высоким вкусовым качествам мяса индейки.

2.3 Выбор методов исследований Методика ВЧ плазменной обработки образцов материалов. Образцы помещали в зазоре между параллельными, вертикально расположенными электродами вдоль потока плазмообразующего газа. Производили предварительную откачку воздуха из вакуумной камеры, затем подавали рабочий газ. Регулировкой вентиля, соединяющего вакуумную камеру с вакуумным агрегатом, устанавливали заданное давление. При подаче на электроды высокочастотного напряжения в разрядной камере за счет нагрева плазмообразующего газа до состояния плазмы образовывался плазменный поток. Режим плазменной обработки регулировался изменением расхода газа GAr, мощности ВЧЕ разряда (Wp), давления в разрядной камере (P), продолжительности обработки (ф). Режим плазменной обработки регулировали путем изменения нижеперечисленных параметров в следующих пределах: расход газа (G) 0,02−0,1 г/с, мощность разряда (Wp) 0,1−2,0 кВт, рабочее давление в разрядной камере (P) 13,3−133 Па; частота генератора (f) 13,56 МГц, продолжительность обработки (ф) 1−10 мин. В качестве плазмообразующего газа использовался аргон.

Методика определения температуры сваривания. Для определения температуры сваривания применяют прибор, соответствующий ГОСТ 938.25−73 [14], схема которого изображена на рисунке 4.

1 — стеклянная емкость; 2 — стержень; 3 — металлическая крышка; 4 — груз; 5 — нитка; 6 — стрелка; 7 — шкала; 8 — нитка; 9 — термометр; 10 — крючок; 11 — испытуемый образец; 12 — крючок Рисунок 4 — Схема установки для определения температуры сваривания Прибор состоит из стеклянной емкости 1 объёмом 500 см³ и металлической крышки 3. В крышке имеется отверстие для термометра 9 с диапазоном измерений от 0 до 1000С или от 1000С до 2000С по ГОСТ 28 498–90 с ценой деления в 10С и отверстие, через которое пропущена нитка 8 с крючком 10 на одном конце и грузом 4 массой 3 г на другом.

При толщине кожевой ткани менее 0,5 мм ширина образца должна быть 5 мм, при толщине 0,5 мм и более — 3 мм. Вырезают образцы длинной 56 мм и шириной 5 или 3 мм.

Образец кожи насадить отверстиями на неподвижный крючок стержня и крючок, соединенный с ниткой, делают два прокола по средней линии на расстоянии 3 мм от концов образца. В емкость налить дистиллированную воду для кожи с температурой сваривания до 100 0С или смесь глицерина с водой в весовом соотношении (20:80) для кожи с температурой сваривания свыше 100 0С. Образец кож полностью погрузить в жидкость, нитку с грузом перекинуть через ролик и установить стрелку на нулевое деление шкалы. Воду или смесь глицерина с водой постепенно нагреть. В момент сдвига стрелки с нуля отметить температуру, которую необходимо принять за температуру сваривания исследуемой кожи.

Методика определения содержание влаги. Определение проводили методом высушивания пробы при постоянной температуре. Содержание влаги определяли в соответствии с ГОСТ 938.1−67[15]. Содержание влаги в коже определяли в предварительно высушенном бюксе. На электронных весах взвешивали около 2 г измельченной кожи, которую взвешивали с точностью ±0,0002 г, предварительно измельчив. Бюкс с навеской помещали в сушильный шкаф, снимали крышку и выдерживали при (128±2) °С. один час затем бюксы охлаждали в эксикаторе и взвешивали. Затем высушивание проводили в течении 30 минут и дополнительное контрольное в течение 15 минут. Масса должна быть постоянной в двух последующих высушиваниях.

Содержание влаги в коже (Н) в процентах вычисляют по формуле Н=, (1)

Методика подготовительных процессов производства кожи из шкур индейки Операционное описание подготовительных процессов обработки шкур индейки представлено в таблице 1.

3. Высокочастотная плазменная обработка материалов с волокнисто пористой структурой

3.1 Плазменная установка для обработки волокнистых материалов Опытно-промышленная высокочастотная плазменная установка. Особенностью конструкции данной установки является возможность установки вращающегося барабана внутри вакуумного блока, созданного по аналогии с традиционным оборудованием кожевенного производства. Скоростью вращения барабана — 12 об/мин.

На рисунке 5 представлена схема опытно-промышленной ВЧ-плазменной установки для обработки кожевенных материалов.

Рисунок 5 — Схема опытно-промышленной ВЧ-плазменной установки для обработки кожевенных материалов.

Опытно-промышленная ВЧ-плазменная установка, по аналогии с экспериментальной, состоит из следующих основных частей: 1 — плексигласовый барабан; 2 — ВЧ-электроды; 3 — колпак вакуумной камеры; 4 — консоль для открытия крышки вакуумной камеры; 5 — вакуумная камера; 6 — система подачи и регулировки плазмообразующего газа; 7 — ВЧ-генератор; 8 — вакуумный откачной пост.

На рисунке 6 — представлены фотографии ВЧЕ плазменной установки для обработки объектов исследования.

а — вакуумная камера в рабочем состоянии, б — вакуумная камера перед загрузкой, в — вакуумная камера с кожей

Рисунок 6 — Фотографии ВЧЕ плазменной установки для обработки объектов исследования При закрытии крышки вакуумной камеры пластины устанавливаются в рабочее положение. Пластины для поддержания и горения разряда изготовлены из меди и охлаждаются водой.

Разряжение в камере создается при помощи насосов: АВР 50, НВЗ 63.

Высокочастотный генератор предназначен для получения неравновесной низкотемпературной плазмы, используемой для модификации натуральных высокомолекулярных материалов.

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 расположены: анодный трансформатор, высоковольтный выпрямитель, контактор.

В правой части внутри стального шкафа установлен алюминиевый шкаф. В этом шкафу 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.

При помощи диагностического оборудования во всех экспериментах контролировали параметры плазменной установки: значение ВЧ напряжений, частоту генератора, мощность, потребляемой установкой и генератором, силу тока и напряжение на аноде, давление и расход плазмообразующего газа.

Измерение напряжений высокой частоты проводили электростатическими вольтметрами С196 и С50. Измерение частоты генераторов проводили с помощью электронно-счетного частотомера ЧЗ-44.

Мощности, потребляемые установкой и генератором, определялись измерительным комплексом К-50 с погрешностью ±2,5%. Мощность разряда определялись калориметрически с погрешностью ±20%, и рассматривалась как сумма потерь за счет теплопроводности, излучения и теплосодержания потока. Силу тока и напряжение на аноде измеряли с помощью контрольно-измерительных приборов имеющихся на ВЧ-генераторе.

Для измерения давления в разрядной камере использовали компрессорный вакуумметр. Расход газа контролировали с помощью ротаметра и игольчатого натекателя.

Технологическими параметрами опытной установки является напряжение на аноде лампы (Ua) и анодный ток (Ia). Для понимания физических процессов необходимо наличие экспериментальных данных по энергии ионов, поступающих на поверхность (Wi) и плотности тока ионов, поступающих на поверхность (ji). Однако непосредственно установить зависимость экспериментальных данных от технологических параметров затруднительно, поэтому для установления данных закономерностей используется показатель — мощность разряда. Зависимости мощности разряда от силы тока и напряжения на аноде представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 — Зависимость мощности разряда от силы тока и напряжения на аноде Зависимости параметров установки, т. е. мощности разряда от потребляемой мощности (Wпотр.), а также зависимости экспериментальных данных (Wi, ji) от мощности разряда представлены на рисунках 8−10.

Рисунок 8 — Зависимость мощности разряда от потребляемой мощности (G = 0,08 л/с) Рисунок 9 — Зависимость плотности ионного тока поступающего на материал от мощности разряда (G=0,04 г/с, Р=26,6 Па) Рисунок 10 — Зависимость энергии ионов поступающих на материал от мощности разряда (G=0,04 г/с, Р=26,6 Па)

3.2 Режимы обработки НТП шкурок индеек перед подготовительными процессами производства кожи В качестве перспективного метода модификации материалов в настоящее время все больше применяется такой нетрадиционный способ обработки, как воздействие неравновесной низкотемпературной плазмой на волокнисто-пористые материал. Плазменная технология относится к сухим, экологически чистым процессам, не требующим использования растворов. С ее помощью можно решить ряд задач:

— придать поверхности полимерных материалов адгезионные свойства, необходимые для нанесения покрывных композиций;

— улучшить технологические и потребительские свойства кожи (регулировать гидрофильность, увеличить грязеотталкивание, уменьшить усадку, отдушистость и т. д.);

— удалить органические соединения;

— улучшить физико-механические свойства кожи.

Таким образом плазменная обработка обладает целым рядом достоинств и является самым перспективным и эффективным методом улучшения качества капиллярно-пористых тел.

В качестве объекта исследования была выбрана шкура индейки.

Для исследования влияния неравновесной низкотемпературной плазмы на подготовительный процесс производства кожи из шкур индейки, опытные образцы обрабатывались в режимах:

напряжение (U) 4кВ, сила тока (I) 0,5А; время обработки (ф) 3 мин;

напряжение (U) 4,5кВ, сила тока (I) 0,55А; время обработки (ф) 3,5 мин;

напряжение (U) 5кВ, сила тока (I) 0,6А; время обработки (ф) 4 мин;

напряжение (U) 6кВ, сила тока (I) 0,7А; время обработки (ф) 5 мин;

напряжение (U) 6,5кВ, сила тока (I) 0,75А; время обработки (ф) 6 мин;

напряжение (U) 7кВ, сила тока (I) 0,8А; время обработки (ф) 7 мин.

При обработке ННТП образцов шкур индейки принимаем давление (Р) 26,6Па и расход плазмообразующего газа (G) 0,04г/с постоянными во всех режимах.

В качестве плазмообразующего газа использовался аргон.

Аргон — формула Аr, атомная масса (по международным атомным массам 1985 г.) -39,948. Газообразный и жидкий аргон должен быть изготовлен в соответствии с требованиями стандарта по технологическим регламентам.

Требования безопасности:

1) Аргон нетоксичен и невзрывоопасен, однако представляет опасность для жизни: при его вдыхании человек мгновенно теряет сознание, и через несколько минут наступает смерть. В смеси аргона с другими газами или в смеси аргона с кислородом при объемной доле кислорода в смеси менее 19% развивается кислородная недостаточность, при значительном понижении содержания кислорода — удушье.

2) Газообразный аргон тяжелее воздуха и может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола и в приямках, а также во внутренних объемах оборудования, предназначенного для получения, хранения и транспортирования газообразного и жидкого аргона. При этом снижается содержание кислорода в воздухе, что приводит к кислородной недостаточности, а при значительном понижении содержания кислорода — к удушью, потере сознания и смерти человека.

3) В местах возможного накопления газообразного аргона необходимо контролировать содержание кислорода в воздухе приборами автоматического или ручного действия с устройством для дистанционного отбора проб воздуха. Объемная доля кислорода в воздухе должна быть не менее 19%.

4) Жидкий аргон — низкокипящая жидкость, которая может вызвать обмораживание кожи и поражение слизистой оболочки глаз. При отборе проб и анализе жидкого аргона необходимо работать в защитных очках.