Київський національний університет

технологій та дизайну

Скиба Микола Єгорович

УДК 678.4.06

наукові основи ресурсозберігаючих технологій

переробки відходів натуральних шкір У матеріали

та вироби взуттєвого виробництва

05.19.06 – Технологія взуттєвих і шкіряних виробів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Хмельницькому державному університеті Мініс-терства освіти і науки України

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор, проректор з наукової роботи Київського національного університету технологій та дизайну Кострицький Валерій Всеволодович

Офіційні опоненти – Заслужений працівник народної освіти України, доктор технічних наук, професор Нестеров Вла-дислав Петрович, Українська Технологічна Ака-демія, президент Української Технологічної Академії –

Лауреат Державної премії України, доктор тех-нічних наук, професор Дзюба Віктор Степанович, Інс-титут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, головний науковий співробітник–

Заслужений працівник побутового обслугову-вання Росії, доктор технічних наук, професор Про-хоров Володимир Тимофійович, Південноросійсь-кий державний університет економки і сервісу, за-відуючий кафедрою конструювання виробів із шкіри

Провідна установа – Херсонський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Херсон

Захист відбудеться 28.09.2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.03 в Київському Національному університеті технологій та дизайну (КНУТД) за ад-ресою: 01601, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці КНУТД за адресою: м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

Автореферат розісланий 24.09.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради | к.т.н. Первая Н.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Раціональні й економні витрати матеріальних і енергетичних ресурсів, а також захист навколишнього середовища від забруднення були завжди і є сьогодні пріоритетними напрямками в розвитку економіки України. А для цього необхідно не тільки зменшувати кількість виробничих відходів, але також розробляти і досліджувати процеси їх пов-торного використання. І в цьому відношенні показовою є проблема викорис-тання відходів шкіряних матеріалів. Технологічні особливості виробництва взуття призводять до того, що тільки відходи від розкрою і вирубування шкіри у високорозвинених країнах складають близько 20 % цієї сировини. Велика цін-ність шкіряних матеріалів і зростаюча загроза забруднення навколишнього середовища від відходів виробництва настійно вимагають пошуку все нових і нових можливостей повторного використання шкіряних відходів.

Важливе значення при переробці відходів шкіряних і волокнистих матеріалів у вироби надається збереженню в штучному матеріалі корисних природних властивостей, притаманних натуральній шкірі. Прогресивнішою технологією переробки відходів шкіри є механічна технологія, яка простіша, економніша і продуктивніша за інші існуючі технології, в тому числі “хімічну”. При механічних технологіях велику цінність мають довгі волокна, тому що при їх подальшій переробці в деталі чи картон потрібна менша кількість клеючих добавок, а це дає змогу зберегти в новому матеріалі такі корисні властивості шкіри, як висока повітро- і паропроникність. Використання довгих волокон дозволяє також поліпшити фізико-механічні властивості виробів – пружність, еластичність, опір стиранню. Існуючі сьогодні механічні технології і обладнання, основані на механічному розмелі відходів, внаслідок якого відбувається руйнування матеріалу за рахунок масового дроблення пучків волокон, практично вичерпали себе. Для одержання з відходів шкіри довгих волокон, з яких виробляються штучні матеріали високої якості, шкіру слід не розмелювати, а розволокнювати. Для цього потрібно вишукати способи ослаблення структури шкіри перед розволокненням таким чином, щоб волокна легко можна було відокремити без подрібнення.

Отже, пошук сучасних способів розволокнення структури шкіряних відходів, теоретичне обґрунтування їх технологічної реалізації і експеримен-тальна перевірка основних положень теорії, розробка рекомендацій для створення ресурсозберігаючих технологічних процесів і технологічного облад-нання для розволокнення шкіряних відходів є важливою науковою і практичною проблемою, що визначає актуальність дисертації.

Виконання цієї роботи стало можливим завдяки системному аналізу наукових досягнень багатьох формацій вчених у галузі технології взуттєвих і шкіряних матеріалів, фізико-хімії та фізико-механіки полімерів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з науковим напрямом: “Розробка найважливіших новітніх технологій науковими установами” (держбюджетна тематика “Розробка новітніх технологій та обладнання для розволокнення натуральної шкіри”, № 041) від-повідно до плану НДР Міністерства освіти і науки України.

Мета та основні завдання дослідження. Метою роботи є розробка наукових основ створення ресурсозберігаючих технологій переробки відходів натуральних шкір, що дозволяє, на основі загальних знань про склад, будову та фізико-механічні властивості шкіряних матеріалів, визначати найбільш раціональні технологічні схеми, конструктивні та силові параметри обладнання для одержання та використання волокон заданого розміру та властивостей в матеріалах і виробах взуттєвого виробництва.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені і виносяться на захист такі основні задачі:

- розробка сучасної концепції механічної міцності шкіри, що ґрун-тується на аналізі її структури, з визначенням структурних основ технології розволокнення натуральної шкіри;

- розробка технологічної структурно-механічної моделі волокнистої будови шкіри;

- розробка методу визначення ефективних технологічних парамет-рів розволокнення натуральної шкіри та створення на його основі теоретич-них основ технології розволокнення шкіри при дії навантажень розтягу, при двовісному деформуванні та дії напружень зсуву і розтягу;

- розробка теоретичних основ технології гідродинамічного розволок-нення шкіряних відходів;

- обґрунтування наукових основ методу визначення технологічних, конструктивних та силових параметрів пристроїв для розволокнення волокнистої структури шкіри;

- удосконалення існуючих та розробка принципово нових конструкцій технологічних пристроїв для розволокнення шкіряних матеріалів;

- розробка методів визначення ефективних технологічних та структур-них параметрів шкіряних матеріалів;

- проведення експериментальних досліджень основних технологічних параметрів процесів механічного розволокнення відходів натуральних шкір;

- апробація розроблених наукових положень технологічної теорії у виробничих умовах та дослідна перевірка виробів з використанням шкіряних волокон у виробництві підошов, взуттєвих картонів, композиційних мате-ріалів.

Об’єктом дослідження є технологічний процес переробки відходів натуральних шкіряних матеріалів легкої промисловості, з урахуванням їх волокнистої будови та анізотропії фізико-механічних властивостей, у взуттєві матеріали та вироби.

Предметом дослідження є наукові основи ресурсозберігаючих тех-нологічних процесів переробки відходів натуральних шкір у волокна заданого розміру та властивостей для виробництва взуттєвих матеріалів і виробів.

Методи дослідження. Робота являє собою комплексний, замкнутий цикл досліджень, який включає розробку теоретичних основ дисертації, конст-рукторсько-технологічну розробку обладнання для їх реалізації, експеримен-тальну перевірку основних положень, виробничу апробацію результатів дослід-жень, що дозволяє визначити корисність цієї роботи для науки та практики.

Визначені в роботі проблеми і поставлені задачі вирішувались з використанням останніх досягнень у галузі технології взуттєвих та шкіряних матеріалів, фізико-механіці та фізико-хімії натуральних і штучних компо-зиційних матеріалів, лінійної теорії в’язкопружності з широким викорис-тан-ням апарату теорії диференційних та інтегральних рівнянь, числових мето-дів, теорії ймовірностей та математичної статистики, регресійного та кореля-ційного аналізу. Конструкторсько-технологічні розробки обладнання вико-нані на основі аналізу існуючих методів проектування та стандартів із вико-ристанням останніх досягнень вимірювальної техніки та мікроелектроніки. Експериментальні технологічні дослідження проводилися з метою визначення застосованості теоретичних основ дисертації з широким використанням методів аналізу, математичної статистики та авто-матизованої обробки результатів на ПК. Прикладне програмне забезпечення виконане за допомогою алгоритмічних мов С++ і Visual Basic 6.0, інтерактивного пакета Mathcad.

Науковою новизною роботи є запропонована оригінальна модель ме-ханізму міцності натуральних шкір та виявлені закономірності їх цільового руй-нування при розробці основ теорії переробки відходів натуральних шкір. При цьому:– 

запропоновано сучасну концепцію механічної міцності шкіри, що ґрунтується на аналізі її будови та фізико-механічних власти-востей, яка дозволяє розробити наукові основи теорії ресурсозберігаючих технологій переробки відходів натуральних шкір;– 

вперше, на основі структурних експериментальних досліджень, обґрунтовані гіпотези та розроблено структурно-механічну модель волокнистої будови шкіри;– 

вперше запропоновано аналітичний метод визначення ефективних технологічних параметрів переробки відходів натуральної шкіри;– 

вперше розроблені наукові основи теорії технологічних процесів пере-робки відходів натуральних шкір, що дозволяють на основі загальних знань про склад, будову та фізико-механічні властивості шкіряних матеріалів визначити найбільш раціональні технологічні схеми для виробництва шкіряних волокон;– 

запропонована концепція гідродинамічної переробки відходів нату-ральних шкір, яка, на основі моделювання та визначення властивостей компо-зиційної рідини, дозволяє проектувати технологію та визначати її основні параметри;– 

вперше поставлені та аналітично розв’язані задачі визначення основних технологічних, конструктивних та силових параметрів технологічного обладнання для переробки відходів натуральних шкір у волокна, залежно від деформованого стану, який генерується технологічним пристроєм;– 

розроблений науково обґрунтований метод практичної реалізації принципів проектування технологічних процесів переробки відходів нату-ральних шкір, визначення найбільш раціональних технологічних схем і конс-труктивних параметрів обладнання для виробництва та використання волокон заданого розміру, а також властивостей в матеріалах та виробах взуттєвого призначення;– 

новизна отриманих результатів підтверджується отриманими 11-ма патен-тами, у т. ч. на способи і технологічні пристрої для переробки відходів нату-ральної шкіри.

Наукові положення, висновки та рекомендації, які сформульовані в дисертації, достовірність отриманих результатів забезпечуються викорис-танням сучасних методів аналітичних досліджень із визначенням похибок та ймовірності отриманих результатів, обґрунтованістю прийнятих гіпотез та припущень, узгодженістю аналітичних досліджень з експериментальними результатами, по-зитивними результатами апробації і рекомендаціями щодо впровадження техно-логічних досліджень.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:– 

результати досліджень, які отримані в роботі, мають певний прак-тичний інтерес для теоретичних досліджень основ сучасних механічних та гідродинамічних технологій переробки відходів волокнистих, шкіряних та композиційних матеріалів;– 

на основі розроблених моделей та отриманих аналітичних залеж-ностей розроблені і практично реалізовані технології переробки відходів натуральних шкір;– 

запропонований метод визначення технологічних, конструктивних та силових параметрів пристроїв для переробки відходів шкіряних матеріалів;– 

визначені основні конструктивні, силові та технологічні параметри гребінчастих, валкових та молоткових пристроїв для переробки відходів шкіряних матеріалів;– 

вдосконалені існуючі та розроблені принципово нові конструкції технологічних пристроїв для переробки відходів шкіряних матеріалів;– 

вперше поставлені і проведені експериментальні дослідження основних технологічних параметрів механічної переробки відходів шкіряних матеріалів;– 

визначені найбільш раціональні параметри технологічних процесів виготовлення підошов, взуттєвих картонів та композиційних матеріалів із використанням шкіряних волокон, отриманих на запропонованому техноло-гічному обладнанні для переробки відходів шкіряних матеріалів;– 

впроваджена у виробництво технологія переробки відходів нату-ральної шкіри, розроблена технологічна оснастка та проведена дослідна пе-ревірка якості виробів, виготовлених із використанням шкіряних волокон при виробництві деталей низу взуття, взуттєвих картонів та композиційних матеріалів із сумарним економічним ефектом 29130 грн (ВАТ “Взутекс”, Луцька картонно-паперова фабрика);– 

запропонований метод визначення технологічних параметрів гідро-ди-намічної переробки дрібних шкіряних відходів, що покладений в основу проек-тування технологічного процесу і устаткування у виробництві взуттєвих картонів.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці ідей та теми дисертації, вирішенні основних теоретичних і експериментальних задач. Автором здійснено вибір предмета досліджень; створено та удосконалено ряд методів, методик та засобів досліджень; висунуто та експериментально обґрун-товано ряд гіпотез і технологічних критеріїв; розроблено метод експеримен-тального дослідження технологічних параметрів переробки відходів шкіряних матеріалів; виконано аналітичний та експериментальний аналіз технологічних досліджень процесів ослаблення та розволокнення відходів натуральної шкіри.

Автору належать основні ідеї опублікованих праць, отриманих па-тентів, а також аналіз і узагальнення результатів роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були представлені й отримали позитивну оцінку на 32-х наукових конференціях та симпозіумах, в тому числі 15-ти міжнародних: ХХ – XXXII науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу за підсумками науково дослідної роботи “Проблеми прогресивних технологій і за-собів виготовлення та ремонту товарів широкого вжитку”, квітень, 1992 – 2004 рр., м. Хмельницький; Всеукраїнська науково-практична конференція “Сучасні проб-леми підготовки спеціалістів-технологів в умовах переходу до ринку”, вересень 1995 р., м. Хмельницький; Всеукраїнська науково-технічна конференція “Фізико-хімічні принципи створення новітніх технологій у текстильній та легкій про-мисловості”, вересень 1996 р., м. Хмельницький; Перша міжнародна науково-технічна конференція “Зносостійкість та надійність машин”, жовтень 1997 р., м. Хмельницький; Міжнародна науково-технічна конференція “Новітні техно-логії в легкій промисловості та сервісі”, вересень 1998 р., м. Хмельницький; Між-народна науково-технічна конференція “Сучасні технології та машини”, жовтень 1998 р., м. Хмельницький; Друга міжнародна науково-технічна конференція “Зносостійкість та надійність машин”, жовтень 1998 р., м. Хмельницький; Все-українська науково-практична конференція “Створення нових конкурентоспро-можних технологій у легкій промисловості та сервісі”, жовтень 1999 р., м. Хмельницький; Третя міжнародна науково-технічна конференція “Зносо-стійкість та надійність машин”, травень 2000 р., м. Хмельницький; Міжнародна науково-тех-нічна конференція “Ресурсо- та енергозберігаючі техно-логії в легкій, текстильній промисловості та сервісі”, вересень 2000 р., м. Хмель-ницький; Четверта міжна-родна науково-технічна конференція “Зносостійкість та надій-ність машин”, травень 2001 р., м. Хмельницький; Міжнародна науково-тех-нічна конференція “Автоматизація виробничих процесів”, травень 2002 р., м. Хмель-ницький; Міжна-родна науково-технічна конференція “Проблеми математичного моделювання сучасних технологій”, жовтень 2002 р., м. Хмельницький; Російсько-український симпозіум “Нові інформаційні технології у вирішенні проблем виробництва, екології, освіти, управління та права”, квітень 2003 р., м. Хмель-ницький; Міжнародна науково-технічна конференція, присвячена 90-річчю з дня народження Заслуженого діяча науки і техніки України професора Піскорського Георгія Августиновича “Сучасні технології підготовки фахівців з інженерних спеціальностей”, травень 2003 р., м. Київ; Всеукраїнська науково-практична конференція “Новітні технології, матеріали та дизайн у легкій промисловості та сервісі”, жовтень 2003 р., м. Хмельницький; Міжнародна науково-технічна конференція “Ресурсо- и энергосберегающие технологии промышленного про-изводства”, листопад 2003 р., м. Вітебськ; Міжнародна українсько-польська нау-кова конференція “Сучасні технології виробництва в розвитку економічної ін-теграції та підприємництва”, жовтень 2003 р., с.м.т. Сатанів; П’ята міжнародна науково-технічна конференція “Зносостійкість та надійність машин”, грудень 2003 р., м. Хмельницький; The eleventh world congress in Mechanism and Machine Science, Huang School of Mechanical Engineering Tianjin University, Tianjin, Chinа, Оctober 2004.

Публікації. Основний зміст і результати дисертації опубліковані в 43-х роботах, 41 з яких наведена в авторефераті, в тому числі: 4 монографії; 1 нав-чальний посібник; 21 стаття у фахових журналах, з яких 15 статей надруковано без співавторів; 8 авторських свідоцтв і патентів на винаходи; 3 позитивних рішення; 3 депоновані роботи; 4 тези доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 8 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 417 сторінок друкованого тексту, з них 16 сторінок займають таблиці, 24 сторінки займають ілюстрації, 35 сторінок займає перелік літературних джерел з 434 найменувань робіт. Додатки представлені на 99 сторінках. Обсяг основної частини дисертації складає 350 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступній частині викладена актуальність теми дисертації, основні аспекти досліджуваної проблеми, визначені мета та завдання досліджень, наукова новизна та практична значущість отриманих результатів.

Перший розділ присвячений аналізу досліджень в галузі ресурсозбе-рігаючих технологій переробки відходів шкіряних і волокнистих матеріалів. Системний підхід до визначення факторів, які впливають на використання шкіряних відходів у виробництві взуттєвих матеріалів та виробів взуттєвого виробництва, дозволив встановити, що в основі цих процесів лежать вихідні властивості шкіряних матеріалів та характер їх зміни у процесі вторинної переробки. Вивченню процесів переробки відходів шкіри присвячена, на жаль, обмежена кількість досліджень, які в основному виконані вітчизняними вченими Кутьїним В.А., Усіловим В.А., Михайловим А.Н., Піскорським Г.А., Коновалом В.П., Глубішем П.А, Данілковічем А.Г., Горбачовим А.А., Зибіним Ю.П., Пав-ловим С.А., Гуменюком О.Б., Михайловським Ю.Б. та ін.

Великого значення при переробці відходів шкіряних і волокнистих матеріалів у вироби набуває збереження в штучному матеріалі корисних властивостей, притаманних натуральній шкірі. Основним гістологічним еле-ментом волокнистої структури натуральної шкіри є фібрили. Фібрили утво-рюють волокна. Волокна, в свою чергу, з’єднуються в пучки, що мають вигляд тяжів чи стрічок, які переплітаються між собою в усіх напрямках і утворюють тканину. В межах шкіри волокна переплітаються в різних напрямках, утворю-ючи сітку. При визначенні структурних рівнів волокнистої будови колагену було встановлено, що шкіру можна розглядати як складний композит волокнистої будови на всіх рівнях її структури. Вивчення структурних рівнів шкіри та їх взаємодії показало, що волокна, які несуть механічне навантаження, самі є волок-нистими композитами і при руйнуванні розщеплюються на менші елементи – фібрили. Як основні характеристики структури шкіри, що значною мірою визначають її технологічні та фізико-механічні властивості, можна виділити такі: регулярність сплетення, кут сплетення, компактність сплетення, зви-вистість пучків волокон, ступінь розщеплення пучків волокон на більш дрібні елементи структури – волокна і фібрили, повноту пучків.

Проведений аналіз літературних джерел вказав на необхідність розробки структурних моделей і методів, які дозволили б на основі морфо-логічних уявлень про структуру шкіри і використання методів фізико-механіки полімерних і композиційних матеріалів розробити теорію розволокнення відходів шкіряних матеріалів. Детальний аналіз існуючих технологічних про-цесів розволокнення, розмелу і вторинної переробки шкіряних і волокнистих матеріалів дозволив визначити основні фактори, що характе-ризують процеси розволокнення натуральної шкіри.

На сьогодні обладнання, що застосовується для механічного розво-локнення шкір, як правило, універсальне і запозичене з інших галузей промисловості. Для розмелу використовують в основному роли, конічні і дискові млини, принцип дії яких оснований на роздавлюванні та розтягуванні між двома поверхнями матеріалу, що розмелюється. Проведений аналіз показав, що на сьогодні практично відсутнє спеціалізоване обладнання для механічного раціонального розволокнення шкіряних відходів і одержання заданої довжини волокна. Це висуває необхідність створення прогресивного обладнання для розволокнення відходів натуральних шкір, картонів одноша-рового і багато-шарового відливів, шкіряної стружки тощо. Останнім часом досягнуті певні успіхи в розробці принципово нових конструкцій диспергаторів, змішувачів і дезінтеграторів, які використовують нові фізичні ефекти і явища для інтенси-фікації технологічних процесів. Однією з них є ідея використання гідроди-намічної кавітації для інтенсифікації процесів дезінтеграції. Кавітаційне руйну-вання відбувається під впливом імпульсу тиску у вигляді ударної хвилі, що поширюється в процесі схлопування бульбашки. Утворення кумулятивних мікро-струминок при схлопуванні кавітаційних бульбашок підтверджено великою кількістю теоретичних і експериментальних робіт Федоткіна І.М., Немчина А.Ф., Івченка В.М. та ін. Аналіз науково-технічної літератури дозволив визначити мету і завдання досліджень, що дало можливість у подальшому розробити основні положення ресурсозберігаючих технологічних процесів розволокнення відходів шкіряних матеріалів.

Другий розділ дисертації присвячений розробці основних положень технологічної теорії розволокнення відходів шкіряних та волокнистих мате-ріалів. Найважливішою ідеєю, покладеною в основу побудови техноло-гічної теорії розволокнення натуральної шкіри та інших волокнистих мате-ріалів з урахуванням їх внутрішньої будови, є модельна фіксація основних структурних рівнів шкіри на всіх етапах розволокнення.

При обґрунтуванні та розробці теорії розволокнення натуральної шкіри прийняті і використовуються такі гіпотези та припущення: гіпотеза детермінованого стану волокнистої структури шкіри; гіпотеза квазі-статичного стану волокнистої структури шкіри; гіпотеза термодинамічної стабільності структури шкіри; у процесі розволокнення пучки волокон руйнуються під дією максимальних напружень, що виникають у міжволоконному просторі внаслідок досягнення граничних технологічних деформацій; якщо до розволокнення всі волокна, що утворюють пучок, мали довжину l0, то в процесі розволокнення виникають набори елементарних волокон з ефективними довжинами lП = l02-i (і = 0, 1, 2, ... n), що підпорядковуються статистичному розподілу W(dП, lП); гі-потеза наступності структури шкіри.

Для побудови структурно-механічної моделі натуральної шкіри, яку покладено в основу технологічної теорії розволокнення шкіри, проведено визначення параметрів будови шкіри. При цих дослідженнях на площинних, поперечних і скісних зрізах зразків досліджуваних шкір визначалися в різних ділянках розміри волокон і тип їх структурного пакування, який найчастіше зустрічається по площині шкіри. Мікрофотографії, отримані за допомогою мікроскопа МІН-8 (120...600), вводились сканувальним пристроєм в персо-нальний комп’ютер, де оброблялися за спеціально розробленою програмою. При цьому, за результатами 500...600 вимірів, встановлювалися орієнтовні границі пучків і окремих волокон, їх розміри (характерний діаметр пучків DП, діаметр волокон dВ, відстань між умовними центрами пучків aП та відстань між умовними центрами волокон aВ), тип структурного пакування. Похибка вимірю-вання в усіх дослідах не перевищувала (5...10) %. Як приклад, на рис. 1 наведені типові мікрофотографії зрізу надфібрилярної структури (рис. 1, а) та їх скано-грама (рис. 1, б) зразків досліджуваних відходів в площині шкіри хромтанідного дублення для низу взуття. Аналогічні результати отримані для інших досліджуваних шкір. На рис. 2 наведені мікрофотографія поперечних зрізів шкіри хромового дублення (рис. 2, а) та її сканограма (рис. 2, б).

а) б)

Рис. 1. Мікрофотографія зрізу в площині шкіри комбінованого дублення (а)

та її сканограма (б)

Отримані в результаті вимірів дані оброблялися методами диспер-сійного аналізу і гістограм. За результатами комплексних структурних вимірю-вань були побудовані криві розподілу експериментальних і теоретичних частот P(dВ), P(aВ), P(DП), P(аП), в залежності від структурних параметрів, відповідно, dВ, aВ, DП, аП та обчислювались параметри експериментальних розподілів: середні арифметичні значення діаметрів волокон та пучків dВ і DП; середні умовні відстані між центрами волокон aВ і пучків аП; середні квадратичні відхилення ; коефіцієнти варіації i; показники точності pi; асиметрії Ai та ексцеси Ei.

а) б)

Рис. 2. Мікрофотографія поперечного зрізу шкіри хромового дублення (а)

та її сканограма (б)

Математична оцінка близькості експериментальних і нормальних теоре-тичних розподілів, зроблена за -критерієм узгодження Колмогорова, шляхом порівняння їх інтегральних розподілів, показала неістотність у розбіжності між емпіричним і теоретичним розподілом для всіх без винятку шкіряних матеріалів. Аналіз параметрів будови досліджуваних шкір показав, що пучки волокон на зрізах шкіри у більшості випадків розташовуються в кутах неправильного п’ятикутника з пучком у центрі - для шкір комбінованих методів дублення та в кутах неправильного шестикутника - для шкіри хромового дублення. Колагенові пучки оточені міжфібрилярною матрицею, яка побудована з міжволоконних білків і утримує пучки волокон у шкірі. Ця структура розповсюджується в ширину, утворюючи пучки волокон, які, з’єднуючись з іншими волокнами і фіброділянками, утворюють макроскопічний елемент шкіри. З рисунків видно, що поперечний переріз пучків не круглий – співвідношення його головних діаметрів змінюється у межах 0,35...1,25. Ця форма ближча до еліпса, ніж до кола. Діаметр пучків змінюється від 17,5 до 22,5 мкм.

В роботі запропонована структурно-механічна модель натуральної шкіри, яку покладено в основу технологічної теорії розволокнення шкіри у вигляді необмеженого в’язко-пружного ізотропного середовища. Структура середовища утворена еліпсоїдальними пучками волокон однакової форми, розташованими в кутах просторового регулярного пакування (рис. 1), з ефективними розмірами, що підкоряються статистичному розподілу W(dП, lП).

Як характеристики, які визначають найбільш імовірний тип просторової ґратки, а також тип і форму пучків волокон, що можуть бути отримані в результаті розволокнення, використано поняття міри об’ємного наповнення волокнами колагенової структури шкіри =V0 /VK і введено поняття коефіцієнта зв’язаності структури . Тут V0, VK – відповідно, об’єм волокон, що може бути отриманий у результаті розволокнення елемента шкіри і загальний об’єм елемента шкіряного матеріалу. Встановлено, що зі збільшенням коефіцієнта зв’язаності kС зростає і міра об’ємного наповнення волокнами колагенової структури шкіри , і, як наслідок, міра взаємодії основних струк-турних елементів шкіри.

Виходячи з того, що майже вся колагенова фаза зосереджена в пучках волокон, які мають мікрогетерогенну будову, що характеризується чергуванням мікрофібрилярних ділянок колагену і міжфібрилярною матрицею, будемо моделювати внутрішню будову пучків, як необмежене ізотропне в’язкопружне середовище, що містить первинні сфероїдальні колагенові волокна, які також розташовані у вузлах гексагонального щільного упакування (рис. 1). При цьому, приймаючи, що міра об’ємного наповнення волокнами елемента шкіри відповідає мірі об’ємного наповнення волокнами всього шкіряного матеріалу, одержаний вираз, який зв’язує міру об’ємного наповнення волокнами струк-тури шкіри з коефіцієнтом відносного об’ємного наповнення середовища і коефіцієнтом компактності решітки і який має вигляд: 2 = = kc3 .

У реальних структурах шкір пучки волокон (далі волокна) мають геометрично неправильну форму зі значними розбіжностями у розмірах. Доцільно також припустити (рис. 2), що вони в першому наближенні мають просторово-криволінійну форму напівгнучкого ланцюга (рис. 3, а), який склада-ється із послідовно спряжених еліпсоїдальних елементів з ефективними розмірами напівосей di і сi = l02 -i, і = 0, 1, 2, 3…n (рис. 3, в).

При цьому, для визначення технологічних ефективних властивостей шкіри, наприклад, граничних деформацій max та напружень max або подат-ливостей J, які генеруються технологічним обладнанням, розділимо криво-лінійну вісь волокна на безліч частин, кожну з яких будемо вважати далі відрізком прямої.

а) б) в)

Рис. 3. Просторово-криволінійна модель волокна у вигляді напівгнучкого ланцюга (а) та відрізок криволінійного волокна у головних осях симетрії шкіри (б, в):

1 – волокно, піддане розволокненню; 2 – послідовно з’єднаний елемент напівгнучкого ланцюга; 3 – модель еліпсоїдального волокна у головних осях симетрії матеріалу

Це дає можливість визначити компоненти тензора ефективних власти-востей волокна шкіри шляхом інтегрування по довжині траєкторії волокна таким чином:

(1)

де N – кількість траєкторій інтегрування, які розрізняються рівнянням траєкторії або властивостями волокна; F(п) – площа поперечного перерізу волокна в структурно-механічній моделі матеріалу; dl(п) – елементарна довжина розрахункового криволінійного елемента волокна; V – загальний об’єм пакуван-ня, що визначає циклічну симетрію структури шкіри; Сijkl (n) – компоненти тен-зора ефективних властивостей n-ї елементарної ділянки волокна в його головних осях симетрії властивостей; С (n) – ті самі компоненти, але зведені до голов-них осей симетрії структури шкіри; Li, Lj, Lk, Ll – косинуси кутів, відповідно між осями i та , j та , k та , l та ; i, j, k, l = 1, 2, 3; , , , = х, у, z.

Виконуючи елементарні математичні перетворення у межах циклічного повторення елемента структури, зведемо перше рівняння (1) до такого вигляду:

(2)

де VВ(n) – об’єм волокна n-ї траєкторії інтегрування; VВ – загальний об’єм волокна в упакуванні, що визначає циклічну симетрію структури шкіри.

На рис. 3, б зображений відрізок криволінійного волокна в головних осях симетрії шкіри х, у, z. Змінний напрямок траєкторії волокна суміщений із віссю x1, що є дотичною до траєкторії. Площина x20x3 є площиною ізотропії властивостей волокна, тому компоненти тензора ефективних властивостей Сijkl(n) не залежать від конкретної орієнтації осей x2 і x3. Це припущення дозволяє спростити матрицю напрямних косинусів Li, якщо покласти L2x = 0. Для моделі, зображеної на рис. 3, б, встановлений взаємозв’язок між складовими напрямних косинусів та похідними координат х, у, z за параметром t та кутами орієнтації криволінійної ділянки траєкторії волокна. Рівняння (1) і (2) дозволяють описати ефективні властивості шкіри та окремих волокон, які можуть бути отримані внаслідок розволокнення в залежності від напрямку переважної орієнтації пучка, числа розволокнення первинного пучка на волокна з ефектив-ними довжинами li = l02-i (і = 0, 1, 2,... n) та виду регулярного пакування, що визначає циклічну симетрію структури шкіри.

В роботі для відповіді на питання, чи дійсно за допомогою моделі упорядкованої структури можна описати технологічну поведінку шкіряних матеріалів в процесі їх розволокнення, запропоновано метод розрахунку най-більш раціональних технологічних параметрів розволокнення шкіри, оснований на модельній фіксації структури шкіри, що повинна перейти у граничний стан внаслідок її розволокнення.

Для цього поле технологічних напружень, що збуджується техноло-гічним пристроєм у міжволоконному просторі, представлене у вигляді супер-позиції трьох полів – однорідного поля взаємодії, соленоїдального і вихрового полів, що взаємодіють з волокном, зменшуються в міру віддалення від нього і розсіюються в міжволоконному просторі. При цьому, в структурі шкіри фор-мується найбільш оптимальний для розволокнення напружено-деформований стан (граничні деформації Пр і максимальні напруження розволокнення max), що забезпечує одержання волокон заданої довжини li = l02-i, i = 0, 1, 2, 3, … n, які підпорядковуються статистичному розподілу W(dП, lП). Тоді визначення ефективних граничних технологічних деформацій Пр і максимальних напружень max розволокнення структури шкіри зводиться до визначення напружено-деформованого стану середовища, що містить волокно. Для цього виділений елемент волокнистого середовища поміщаємо в поле однорідних невідомих напружень взаємодії між волокнами, що діють у міжволоконному просторі. В результаті такого підходу отримано вираз для розв’язання крайової задачі про напружено-деформований стан волокна, що перебуває у нескінченному міжволоконному просторі, через діючі середні напруження розволокнення структури :

(3)

де – матриця коефіцієнтів, симетричних по відношенню до перестановки індексів ; шik, mn(x1,x2,x3) і Цi,mn (x1,x2,x3) – функції, що визначаються з розв’язку поставленої крайової задачі, у наближенні однорідної взаємодії між волокнами.

Використовуючи представлення потенційної енергії розволокнення у в’язкопружній постановці, отримано рівняння, що визначають ефективні техно-логічні деформації, які викликають найбільш раціональне розволокнення волок-нистої структури шкіри:

. (4)

Третій розділ присвячений розробці теоретичних основ проекту-вання ресурсозберігаючих технологій для переробки відходів натуральних шкір при різних режимах розволокнення. Розроблена в другому розділі модель та концепція механічної міцності структури шкіри передбачає, що для розволокнення шкіри і одержання довгих волокон необхідне попереднє ослаблення волокнистої структури шкіри шляхом генерування в матеріалі складного напруженого стану. При цьому, з метою зниження енергомісткості процесу і підвищення якості отриманого продукту, розволокнення повинно відбуватися в декілька етапів. На першому етапі матеріал піддається деформаціям розтягу до величини граничної відносної деформації max, що викликає розпрямлення та орієнтування пучків волокон за напрямками діючих навантажень. Експериментально встановлено, що при граничному розтягу зменшується звивистість та петлястість волокон і, як наслідок, зменшуються зусилля, які утримують пучки волокон в шкірі. На другому етапі, для збереження структури, яка виникає в шкірі внаслідок поздовжнього деформування, матеріал піддають поперечному деформуванню зусиллями стиску або викликають у матеріалі деформації зсуву.

Прийнявши як вихідні дані модель волокнистої структури і наведені вище дані про характеристики структурних елементів – волокон і міжволокон-ного простору, враховуючи їх внутрішню будову і нехтуючи дисипативними явищами у виділених елементах структури, розглянемо модель вихідного стану волокнистої структури шкіри (рис. 4, а) та модель перетворення основного структурного елемента шкіри (рис. 4, б) у процесі розволокнення під дією напружень розтягу.

Враховуючи, що зміна форми волокон в результаті напружень розтягу, відбувається однорідно у напрямку осі витягування x1 при незмінному об’ємі волокон (в = const), будемо моделювати деформування шкіри як розтяг прос-тору з коефіцієнтом 1, чисельно рівним ступеню витягання = 1 волокнистої структури шкіри. При цьому фактично відбувається рівномірний розтяг волокна в напрямку від площини , яку ми приймаємо за основну (рис. 4, б). Формули перетворення координат, з урахуванням незмінності об’єму волокна, будуть мати вигляд: , .

а) б)

Рис. 4. Модель розволокнення структури шкіри при розтягу (а) та модель перетворення еліпсоїдального волокна в процесі розтягу структури шкіри (б):

1 – пучок волокон; 2 – елементарне волокно; 3 – міжволоконний простір; 4 – модель внутрішньої будови волокна

Початок розволокнення волокнистої структури шкіри відповідає значенням граничних технологічних деформацій max, які, при заданій тех-нологічній довжині волокна (), викликають у матеріалі мінімально можливі за даних умов розволокнення структурні напру-ження , що призводять до порушення безперервності полів напружень і переміщень на границі “волокно – міжволоконний простір” та виникнення в шкірі сітки мікротріщин.

Розв’язання задачі про розволокнення шкіри у роботі розглянуто з позицій методу, викладеного в другому розділі, теорії кінцевих деформацій, фізико-механіки і мікромеханіки композитів, із використанням як декартової (), так і криволінійної систем еліпсоїдальних координат (). Основною ідеєю технологічної теорії є фізичне моделювання поля напружень, що збуджується технологічним пристроєм у міжволоконному просторі у вигляді суперпозиції трьох полів – однорідного, соленоїдального і вихрового, які діють в міжволоконному просторі. Це дозволяє виявити дві основні складові деформації шкіри при деформуванні – однорідної і неоднорідної. Однорідний характер деформації шкіри відповідає в’язкопружній деформації пучків волокон і моделюється в’язкопружною однорідною деформацією витягнутих еліпсо-їдальних волокон, усі частини яких деформуються одночасно і пропорційно. Однорідність деформації волокон визначає той факт, що, при дії однорідних на нескінченності напружень у структурі шкіри, напруження у волокні є однорідними й однотипними, тобто нормальні і дотичні напруження в еліпсо-їдальних волокнах на головних площадках не змішуються між собою. Для міжволоконного простору характерна наявність як однорідної, так і неоднорідної деформацій, що, скоріше за все, пов’язано із розсіюванням механічної енергії розволокнення, в основному, в міжволоконному просторі.

Розглянемо використання теорії на прикладі розволокнення структури шкіри методом поздовжнього розтягу в напрямку осей пучків волокон, що збігаються з віссю середніми технологічними напруженнями . При цьому в еліпсоїдальному волокні (рис. 3, в) виникає такий напружений стан:

, (5)

де , , , – невідомі сталі, що характеризують, відповідно, рівень структурних напружень однорідної взаємодії та структурних напружень на головних площадках; – середні технологічні напруження розтягу, що призводять до початку процесу розволокнення шкіри.

У криволінійній системі координат тензор напружень еліпсоїдального волокна (5) виразиться як:

, (6)

де і – одиничні вектори, відповідно, криволіній-ної і декартової систем координат.

Компоненти вектора переміщень для еліпсоїдального волокна в криво-лінійній системі координат з урахуванням співвідношень між системами вира-зяться як:

(7)

,

де – компоненти тензора однорідної деформації еліпсо-їдального волокна; аij – коефіцієнти, що встановлюють співвідношення між компонентами систем координат.

Тензор напружень міжволоконного простору при розтягу напруженням виразиться як:

. (8)

Компоненти вектора переміщень виразяться як:

;

; , (9)

де , – компоненти тензора однорідної деформації міжволо-конного простору.

Поле у міжволоконному просторі представимо у вигляді суми одно-рідного поля взаємодії між волокнами і двох складових неоднорідної взаємодії, що розсіюються на еліпсоїдальних волокнах і убувають у міру віддалення від них. Перше розсіяне поле представимо у вигляді соленоїдального поля переміщень, яке задовольняє рівнянню:

. (10)

Компоненти тензора напружень (7) і соленоїдального поля (10), що діють у міжволоконному просторі, визначимо з векторного рівняння:

. (11)

Для другого, вихрового, поля напружень, що виникає у міжво-локонному просторі, поле переміщень будемо визначати через розв’язок рівняння Папковича-Нейбера у вигляді:

, (12)

де , , – функції Папковича-Нейбера, що визначають-ся через поліноми та приєднані функції Лежандра.

Компоненти тензора напружень (8) і вихрового поля, що діють у міжволоконному просторі, визначимо через переміщення (12) з векторного рівняння:

(13)

Розв’язуючи рівняння (8), (10), (13) визначимо компоненти тензора напружень міжволоконного простору як суму напруження однорідної взає-модії і напружень, що відповідають соленоїдальному полю і , та напружень, що відповідають вихровому полю і , у вигляді:

. (14)

Відповідні їм компоненти вектора переміщення представимо як суму компонентів вектора переміщення: у випадку однорідної взаємодії і , першого соленоїдального поля і і другого вихрового поля і у вигляді:

(15)

Невідомі сталі , що входять у рівняння (14, 15), визначаються з граничних умов, при яких починається процес розволокнення волокнистої структури шкіри, що виражається в порушені неперервності полів напружень і переміщень на границі еліпсоїдального волокна і міжволоконного простору у вигляді:

. (16)

Задовольняючи граничним умовам (16) на поверхні еліпсоїдального волокна (u = u0 = const), об’єднаємо рівняння (6), (8), (14) і (15) у систему. В результаті розв’язання системи рівнянь одержано вирази для визначення невідомих сталих через напруження од-норідної взаємодії , що залишилося невідомим. Наприклад, для А маємо:

, (17)

де – відповідно релаксаційний модуль і коефіцієнт Пуассона волокна і міжволоконного простору (в’язкопружні оператори); – функції, що визначають залежність розмірів і форми волокон від ступеня їх витягання при даному напруженому стані волокнистого середовища.

Використовуючи теорему про еквівалентні стани і перше представлення потенційної енергії деформації розволокнення структури , визначені напруження однорідної взаємодії через діюче середнє технологічне напру-ження 1, що викликає розволокнення структури шкіри при розтягу, у вигляді:

. (18)

Задаючи ступінь розволокнення шкіри , визначаємо значення найбільш раціональних напружень u і uv, переміщень uu і uv, що призводять до пору-шення неперервності полів напружень і переміщень (16) на границі “волокно – міжволоконний простір” і сприяють розволокненню структури при відомих фізико-механічних властивостях шкіри і заданому статистичному розподілу довжин і діаметрів волокон. Знайшовши значення необхідних напружень розво-локнення, встановимо значення технологічних, найбільш раціональних деформа-цій , що приводять до розволокнення структури шкіри. Для цього скористає-мося другим представленням потен-ційної енергії деформації розволокнення у вигляді:

.(19)

Підставляючи в рівняння (19) значення однорідних напружень і з (8), значення переміщень і з (9), інтегруючи отриманий вираз за від 0 до , і за від 0 до , використовуючи вирази для сталих і , записуючи у символьній формі для в’язкопружного середовища взаємозв’язок середніх напружень і ефективних деформа-цій розволокнення , розв’язуючи отриману систему рівнянь відносно , одержимо явний вираз для ефективної технологічної деформації, що, при відомих фізико-механічних властивостях шкіри (, , , ) і необхідних геометричних характеристи-ках одержуваних волокон (), викликає мінімальні значення технологічних деформацій розтягу матеріалу 1, які необхідно створити в технологічному устаткуванні, щоб почався керований процес розволокнення волокнистої структури шкіри:

(20)

Тут і – сталі, що визначають рівень структурних напружень в залежності від розмірів і форми волокон, ступеня витягання їх при розволокненні .

Визначення технологічних параметрів розволокнення структури шкіри шляхом двовісного деформування здійснено за запропонованою моделлю для