КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

Романюк Оксана Олександрівна

УДК 685.34.03

ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАТЕРІАЛІВ ІЗ НАТУРАЛЬНОЇ ШКІРИ, ПЛАСТИФІКОВАНИХ РІЗНИМИ СПОСОБАМИ

Спеціальність 05.02.01 – матеріалознавство

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Луцик Ростислав Володимирович,

Київський національний університет технологій та дизайну,

завідувач кафедри тепломасообмінних процесів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Мичко Анатолій Андрійович,

Східноукраїнський національний університет

ім. Володимира Даля,

професор кафедри легкої та харчової промисловості

кандидат технічних наук

Екель Ніна Вікторівна,

Херсонський національний технічний університет,

декан Київського факультету, доцент кафедри економіки

та підприємництва

Провідна установа: Хмельницький національний університет,

Міністерство освіти і науки України, м. Хмельницький

Захист відбудеться “13” квітня 2006 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.03 Київського національного університету технологій та дизайну, м. Київ – 11, вул. Немировича-Данченка, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну, м. Київ – 11, вул. Немировича-Данченка, 2.

Автореферат розісланий “10” березня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Н.В. Первая

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останній час, коли в Україні спостерігається значне техногенне навантаження на довкілля, постійний брак енергоносіїв, одним із перспективних напрямків вирішення данних питань у взуттєвому виробництві є застоcування екологічно безпечної, енергоресурсозберігаючої технології обробки деталей взуття.

Зниження енерго- і ресурсовитрат на основні енергоємні операції (зволоження та сушіння) дозволить у подальшому не тільки скоротити затрати на виробництво, але й знизити собівартість виробів, що підвищить конкурентоспроможність їх на внутрішньому і зовнішньому ринках.

Вдосконалення операції зволоження в технологічному процесі створення взуття потребує дослідження впливу різних пластифікаторів на деформаційно-релаксаційні та тепломасообмінні процеси, які відбуваються в матеріалі, а також на його фізико-механічні властивості.

У текстильній промисловості відомий спосіб оздоблення волокнистих матеріалів спіненим розчином. Цей спосіб підвищує якість обробки та знижує витрати оброблюючих матеріалів. Тому доцільно дослідити комплекс властивостей, яких набуває матеріал під час виконання операцій: зволоження піною – формування – сушіння. Це дозволить теоретично обгрунтувати використання пластифікатора із піни та здійснити практичне впровадження цього способу зволоження у виробництво.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на базі науково-дослідних робіт: “Наукові основи енергоресурсозбереження в тепломасообмінних процесах виробництва товарів широкого вжитку” (№ держреєстрації 0100U003054) та “Теоретична розробка та практична реалізація нових енергоресурсозберігаючих технологій на основі тепломасообмінних процесів легкої промисловості” (№ держреєстрації 0103U000845), які виконувалися в КНУТД, відповідно, у 2000 – 2002 роках і у 2003 – 2005 роках. Підставою для виконання науково-дослідних робіт є включення їх до тематичних планів КНУТД НДР, що фінансуються із коштів держбюджету МОНУ.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – вивчення комплексу властивостей матеріалів після пластифікації їх водою та піною і на цій основі теоретичне та експериментальне обгрунтування можливості використання нового способу зволоження, що забезпечить економію енергії, ресурсів і затрат праці на здійснення тепломасообмінних і формостворюючих процесів у взуттєвому виробництві.

Для досягнення мети були окреслені такі задачі:

- теоретично обгрунтувати вплив виду пластифікатора на властивості матеріалів із натуральної шкіри та розробити спосіб пінного зволоження, методику його реалізації, а також конструкцію зволожувального пристрою;

- провести експериментальні дослідження комплексу вологообмінних, термодинамічних, деформаційно-релаксаційних, фізико-механічних властивостей натуральної шкіри для верху взуття;

- здійснити дослідження залежності початкового вологовмісту капілярно-пористих матеріалів від температури матеріалу та пінного розчину;

- визначити залежність властивостей матеріалів від параметрів формостворення заготовки взуття при її попередньому пінному зволоженні.

Об’єкт дослідження – вплив на комплекс властивостей матеріалів із натуральної шкіри процесу формоутворення деталей взуття.

Предмет дослідження – теоретичні та експериментальні дослідження властивостей матеріалів із натуральної шкіри, пластифікованих різними способами.

Методи дослідження – термогравікалориметричний, дослідження процесів релаксації напружень і деформації матеріалів, адсорбційний, напівциклові: нерозривний і розривний при одновісному розтягуванні, одноцикловий нерозривний при одновісному розтягуванні. У роботі використано також методи математичного планування. Результати математичного моделювання і обробки експериментальних даних, наведені в роботі та в додатках у вигляді таблиць і графіків, побудованих з використанням робочих листів Microsoft Excel.

Наукова новизна одержаних результатів

На основі досліджень комплексу релаксаційно-деформаційних і фізико-механічних властивостей вперше:

1) теоретично, з урахуванням фізико-хімічних, фізико-механічних і термодинамічних аспектів, обгрунтовано вплив пінного способу пластифікації на комплекс властивостей матеріалів із натуральної шкіри;

2) показано, що при пластифікації матеріалів із натуральної шкіри піною, волога вводиться дозовано в матеріал, величина питомої енергії зв’язку вологи з твердою фазою капілярно-пористого тіла зменшується, а це дозволяє економити витрати тепла (електроенергію) на вологовидалення.

3) доведено вплив на релаксаційні властивості та формостійкість натуральної шкіри спільної дії пінного пластифікатора та тепла, що знижує у 1,5…2 рази початкові та усадкові напруження, збільшує величину повної деформації при розтягуванні, порівняно зі зразками, зволоженими водою; забезпечує формостійкість зразків більше 70%; показники фізико-механічних властивостей матеріалів відповідають вимогам ГОСТ (ДСТУ) на конкретний матеріал;

4) на основі математичного моделювання рекомендовані для пінного способу зволоження режимні параметри зволоження та сушіння взуттєвих заготовок із натуральної шкіри.

Практичне значення одержаних результатів

Практичне значення дисертаційної роботи полягає в доведенні, на основі аналізу досліджених властивостей матеріалів, доцільності застосування пінного зволоження взуттєвих заготовок із натуральної шкіри і визначенні оптимальних режимних параметрів зволоження та сушіння такої заготовки.

Розроблений спосіб зволоження забезпечує здатність матеріалу до деформації, що покращує процес надання форми під час операції формування, фіксація форми (операція сушіння) відзначається зменшенням тривалості процесу, а отже, дозволяє економити електроенергію на процес вологовидалення (деклараційний патент №47690 А, Україна).

Розроблено пристрій для зволоження взуттєвих заготовок, який дозволяє: забезпечити інтенсивне і рівномірне зволоження взуттєвих заготовок та інших капілярно-пористих матеріалів (тривалість зволоження 15…25 с); ефективно використовувати теплову енергію в подальших технологічних операціях (сушіння), за рахунок внесення визначеної кількості вологи в процесі пінного зволоження капілярно-пористого матеріалу (деклараційний патент №54302 А, Україна).

Новий пінний спосіб зволоження деталей верху взуття апробовано на двох підприємствах: ВАТ “Ера” (м. Київ), ЗАТ Взуттєва виробничо-торговельна фірма “БІВЗУТ” (м. Біла Церква). Розрахована умовна економічна ефективність від впро-вадження пінного способу зволоження в технології формостворення деталей верху взуття і відповідного обладнання на технологічному потоці потужністю 1000 пар взуття за зміну складає за рік: при виготовленні хромового взуття – 8,350 тис. грн.; при виготовленні юхтового взуття – 11,119 тис. грн. Річна умовна економія коштів по статті 1 калькуляції – “Сировина та основні матеріали” за рахунок зменшення величини затяжної кромки при виготовленні чоловічих черевиків із шкіри хромового методу дублення 1000 пар взуття за зміну при однозмінній роботі за рік становитиме – 63,309 тис.грн. Крім того, новий спосіб зволоження дозволить уникнути екологічних збитків, пов’язаних із викидами в атмосферу сполук, які утворюються при спалюванні мазуту (кам’яного вугілля) для одержання теплової енергії.

Особистий внесок здобувача. Полягає у постановці задач, здійснені планування експерименту, проведені експериментальних дослідженнь по вивченню комплексу властивостей матеріалів легкої промисловості. Автором теоретично обгрунтовано пінне зволоження матеріалу та проведені порівняльні дослідження релаксації напружень, релаксаційно-деформаційних властивостей, які виникають під час тепломасообміну у зразках шкіри хромового дублення, зволожених водою та піною, здійснена обробка результатів та побудовані графічні залежності, зроблено їх аналіз. Проведені дослідження фізико-механічних властивостей натуральної шкіри. Автором зроблена математична обробка результатів зі знаходженням математичних моделей лінійного виду та другого порядку по визначенню оптимуму, виконана графічна обробка результатів досліджень за допомогою програми Microsoft Exel.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені та отримали позитивну оцінку на наукових конференціях молодих вчених і студентів Київського національного університету технологій та дизайну (2001 – 2004 р.р.), на міжнародних науково-практичних конференціях: “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (2001 р., м. Чернівці), “Проблеми економії енергії” (2001 р., м. Львів); на міжнародно-технічних конференціях: “Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности” (2002 р., м. Іваново (Росія)), “Современные технологии и оборудование для получения и переработки полимеров, полимерных композиционных материалов и химических волокон” (2003 р., м. Київ), “Сучасні технології підготовки фахівців інженерних спеціальностей” (2003 р., м. Київ); на науково-практичних конференціях: “Вищі навчальні заклади – Києву” (2004 р., м. Київ), “Сучасні екологічно безпечні технології виробництва шкіри та хутра” (2005 р., м. Київ); на ювілейній міжнародній конференції “Інноваційні технології – майбутнє України” (2005 р., м. Київ).

Публікації. Основна частина результатів дослідження по темі дисертації представлена у вісімнадцяти публікаціях, серед яких п’ять статей у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України, два деклараційні патенти України.

Структура і об’єм дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури із 121 джерела, 24 рисунків, 18 таблиць, 7 додатків. Дисертація викладена на 147 сторінках основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, подано короткий аналіз стану проблеми, визначено мету та основні задачі досліджень, сформульовано наукову новизну й практичну цінність отриманих результатів та висновків.

У першому розділі подано аналіз основних технологічних операцій взуттєвого виробництва, які безпосередньо впливають на процес формостворення деталей та розглянено вплив цих операцій на властивості натуральної шкіри. Окреслені перспективи використання у взуттєвому виробництві пінної технології обробки (ПТО), яка широко використовується у текстильному та шкіряному виробництвах . Розглянута можливість застосування пінного розчину в якості зволожувача для вологої обробки заготовок верху взуття. На підставі аналізу літературних даних обгрунтовано доцільність дослідження комплексу властивостей матеріалів, зволожених піною, під час виконання операцій формування та сушіння.

У другому розділі зроблено теоретичне обгрунтування процесу змочування капілярно-пористих матеріалів, яке базується на фізико-хімічних аспектах взаємодії вологи, піни та твердої фази матеріалу. Використовуючи властивості ПАР, можна впливати на змочувальні характеристики розчинів, і при цьому ефективно керувати основним фактором переносу вологи – капілярним потенціалом. Рівняння хімічного потенціалу переносу капілярно зв’язаної вологи р у полікапілярній системі має вигляд:

, | (1)

де р – хімічний потенціал вільної рідини без урахування взаємодії фаз; 12р – поверхневий натяг на межі рідина – газ; р – густина рідини; rр – радіус меніска рідини в капілярі.

Друга складова рівняння (1) – це питома вільна енергія поверхні розподілу фаз у капілярній системі вологого тіла. Тобто, зниження густини рідини в порах повинно приводити до зниження хімічного потенціалу переносу. Піна представляє собою рідину, що обгортає бульбашки повітря, тому хімічний потенціал піни становить: |

(2)

де п – хімічний потенціал піни без урахування взаємодії фаз; 12п – поверхневий натяг на межі піна – газ; п – густина піни.

Так як густина піни менша густини рідини р, і, відповідно, хімічний потенціал піни п менший за хімічний потенціал рідини р, то в системі вологе тіло – піна виникає градієнт потенціалу переносу

. | (3)

де К – узагальнена координата; – індекси, які відображають умови сполучення окремих зон (поверхні) тіла з піною.

Виникнення градієнта П означає, що при контакті піни з вологим капілярно-пористим тілом буде відбуватися перенос вологи в сторону піни. У результаті такого переносу волога в капілярах тіла і на його поверхні буде частково замінятися піною. Цей процес триватиме доти, поки хімічний потенціал зволоженої піни п по величині стане приблизно рівним р, а П 0.

У результаті переміщення рідини в піну частина зв’язаної з матеріалом вологи перетворюється у вільну, яка потребує менше енергії на випаровування. Як буде показано нижче, таке зменшення величини енергії випаровування при зволоженні шкіри піною було встановлено експериментально.

Стосовно термодинамічного аспекту у роботі відзначено наступне. Відомо, що для випадку ізотермічного й ізометричного сушіння зразків питомий хімічній потенціал вологи в тілі (t) співпадає з питомою теплотою її випаровування r(t), тоді згідно першого закону термодинаміки для відкритих систем у випадку деформування зразка при його тепломасообміні питому теплоту пароутворення можна визначити за формулою: |

(4)

де f(t)Td – кількість теплоти надана тілу за час d; C(t)dT – підвищення температури зразка; V(t)d – робота розтягування зразка; VD(t)(t)d – дисипація енергії в резуль-таті релаксації напруження у зразку; - кількість вологи, яка випарувалася за час d.

Складові рівняння (4): C(t)dT, V(t)d, VD(t)(t)d – фактори, що визначають приріст внутрішньої енергії системи.

Аналіз рівняння (4) показує, що таку зміну можна пояснити зменшенням при пінному зволоженні зразка величини (t) і, можливо, коефіцієнта дисипації D(t) протягом усього сушіння. Однак, це припущення потребує подальших досліджень.

Здійснене теоретичне пояснення загальної форми кривих релаксації напружень у зразках, зволожених піною, на основі імітаційних моделей. Релаксація напружень у вологих зразках шкіри в процесі їх сушіння представляє собою складний процес: власне релаксацію напружень у пластифікованому матеріалі рел(t) та зростання усадкових напружень ус(t) у ньому при випаровуванні зв’язаної вологи. Тому, результуюче рівняння представлене виразом

. | (5)

За фізичним змістом релаксуючій частині найбільше відповідає релаксація напруження у вологому матеріалі при постійному вологовмісті, апроксимацію якої зроблено нижче, а усадкове напруження можна представити як рівнодіючу напружень |

(6)

де - стискаюче напруження, викликане поверхневим натягом () рідини по периметру L поперечного перерізу S0 зразка; - напруження сил капілярної контракції; пр – напруження пружного опору структури; адг – напруження викликане когезійною і адгезійною взаємодією вторинних зв’язків.

Отже, було зроблене припущення, що в результаті пінної пластифікації величини напружень , к і адг повинні знижуватися, як це показано вище, що пояснює як зменшення результуючого напруження (t), так і зміну інших фізико-механічних характеристик зразків після пінного зволоження та сушіння, що слідує за ним.

Проведений аналіз способів одержання піни (конденсаційний і диспергаційний) та факторів, які впливають на основні властивості піни (піноутворюючу здатність, кратність, стабільність, дисперсність), дозволив здійснити вибір поверхнево-активної речовини (ПАР) аніонного типу Е-30, концентрація якого у піноутворюючому розчині повинна становити не більше 3%.

У третьому розділі наведено матеріали для дослідження, основні методи дослідження, установка для проведення досліджень пінного способу зволоження.

Дослідження проводилися з використанням шкір хромового методу дублення для верху взуття: без покриття, з емульсійним покриттям, з нітроемульсійним покриттям; а також юхти взуттєвої та взуттєвого картону марки ЗП.

Параметри порової структури матеріалу визначалися адсорбційним методом і комплексним термогравікалориметричним (ТГК) методом. Фізико-механічні властивості натуральної шкіри визначалися за чинними державними стандартами та за відомими методиками. Вологообмінні та термодинамічні характеристики матеріалів були одержані за допомогою комплексного ТГК методу. Для визначення оптимальних параметрів проведення гігротермічних процесів (зволоження і сушіння) деформованого матеріалу використано математичний метод планування – повний факторний експеримент і ротатабельне планування другого порядку, при обговоренні експериментальних данних – кореляційний аналіз.

У четвертому розділі наведено результати дослідження вологообмінних властивостей та впливу різних способів пластифікації на релаксаційно-деформаційні та фізико-механічні властивості матеріалів.

Дослідження вологообмінних властивостей натуральної шкіри дозволили визначити такі показники, як повна вологоємність, гігроскопічна волога, адсорбова-на волога полі- і моношару, які були використані у подальших дослідженнях. Визначені показники: об’єм мікро- і макропор, питома поверхня пор дозволили зробити висновок, що шкіри, вироблені із ялівки і бичка характеризуються більшою щільністю, ніж шкіра із півшкірника, а тому мають менший об’єм мікропор. Об’єм макропор найменший у шкіри із нітроемульсійним покриттям. Однак, ні сировина, ні вид оздоблення не впливає особливим чином на питому поверхню пор.

Визначена питома теплота випаровування пластифікатора, введеного у мате-ріал у вигляді рідини та піни. Підтверджене встановлене раніше теоретично (формула (4)) зменшення питомої теплоти випаровування вологи при переході від водної до пінної пластифікації матеріалів натуральної шкіри, яке повязано із застосуванням ПАР. Останні зменшують поверневий натяг рідини і звязок молекул пластифікатора з твердою фазою матеріалу. У результаті зменшується енергія звязку вологи з матеріалом і, відповідно, кількість теплоти, необхідної для видалення води з матеріалу.

Як видно із рис. 1, ефект зменшення величини “r” в результаті дії ПАР особливо спостерігається при видаленні звязаної вологи – гігроскопічної (фізико-механічна волога в мікро-порах) (Wгігр) та адсорбованої (фізико-хімічна форма звязку во-логи в ультрамікропорах) (Wадс).

При видалені вологи з макропор (вільна вода) величина питомої теплоти випаровування практично не залежить від способу зволоження.

Таким чином, при переході від водного до пінного методу зволоження натуральної шкіри можлива економія теплоти до 1,00 МДж на випаровування 1 кг вологи, що складає близько 23% тепла на процес вологовидалення.

Дослідження впливу способу зволоження на кінетику релаксації напружень проводилися на зразках натуральної шкіри, зволоження яких здійснювалося двома методами: традиційним (зануренням зразків у воду) і новим (зануренням зразків у піну). Встановлено, що напруження: початкові і максимальні, які виникають у шкірі при видалені з неї вологи, введеної попередньо намоканням (рис. 2 крива 2) значно перевищують аналогічні напруження, які виникають у шкірі при попередньому зволоженні піною (рис. 2 крива 4).

Отже, зниження максимальних і початкових напружень у зразках, зволожених піною, порівняно зі зразками, зволоженими намоканням свідчить про наступне:

1) зволожувати шкіру до вологовмісту більше вологовмісту гігроскопічного стану не доцільно, так як це може привести до збільшення зусиль необхідних для проведення процесу формування шкіри, до збільшення її жорсткості і до перевитрат енергії на процес видалення вологи при фіксації форми виробів зі шкіри.

2) відомо, що в натуральній шкірі основна усадка відбувається при видалені вологи із мікропор, а тому використання пінного розчину із ПАР, що знижує величину поверхневого натягу, зменшує сили капілярної контракції та послаблює міжмолекулярні зв’язки, дозволяє знизити усадку.

Для перевірки запропонованої моделі (5) здійснена спроба аналітичного опису експериментальних кривих на основі принципу суперпозиції Больцмана. Результуюче рівняння при при t tс має вигляд |

(7)

За рівнянням (7) розраховувалася результуюча крива 6 (рис. 2), яка майже співпадає з експериментальною кривою 2 (рис. 2). Отже, передбачений механізм впливу масообміну на процес релаксації і розвитку напружень у натуральній шкірі близький до реального.

Для аналізу впливу способу зволоження (намоканням, пінним), величини початкової вологості матеріалу, тепла (температури сушіння) на кінетику розвитку напружень у зразках натуральної шкіри проводилися дослідження в умовах тепломасообміну при деформуванні зразків на 40% від початкової довжини.

Згідно табл. 1 для зразків, зволожених піною, характерні у 1,5…2,3 рази менші (залежно від температури сушіння) значення початкових напружень і у 1,3…2,9 рази менші значення рівноважних напружень, ніж для зразків, зволожених водою.

Підвищення температури середовища з 70С до 90С у зразках обох груп, сприяє зниженню початкових напружень, що свідчить про пластифікуючу дію тепла на початку сушіння. Найбільша величина релаксуючої частини напружень у зразках, зволожених водою, спостерігається при 70°С, а у зразках, зволожених піною, при – 90°С (табл. 1).

Детальний аналіз впливу тепла на кінетику релаксації напружень досліджувався у зразках, зволожених піною. Встановлено, що підвищення температури середовища сприяє зниженню початкових і рівноважних напружень, тоді як релаксуюча частина збільшується із підвищенням температури з 62°С до 90°С, а підвищення температури до 118°С відзначається зниженням релаксуючої частини (рис. 3 і табл.2).

Вплив величини початкової вологості матеріалу на кінетику релаксації напружень досліджувався у зразків, зволожених піною. Вологовидалення відбувалося при температурі середовища 90°С. За побудованими відповідними залежностями (аналогічно до рис. 3) були визначені складові напружень (табл. 3).

Кількість введеного у матеріал зволожувача найбільш суттєво позначається на величині рівноважних напружень та на величині релаксуючої частини напружень (табл. 3). Збільшення початкової вологості зразків із 26% до 40% сприяє збільшенню величини релаксуючої частини напружень та, відповідно, зниженню рівноважних напружень (табл. 3).

Проведені порівняльні дослідження засвідчили наступне:

1) підтвердили наведені у розділі 2 теоретичні дані про те, що напруження, які виникають у зразках, зволожених водою, значно більші напружень, які виникають у зразках, зволожених піною;

2) збільшення температури середовища до 90°С сприяє зниженню початкових і рівноважних напружень та збільшенню релаксуючої частини напружень у зразках, зволожених водою, і у зразках, зволожених піною. В останніх, при температурі 90°С спостерігається найбільша величина релаксуючої частини напружень. Тому можна припустити, що температура вологовидалення 90°С для зразків, які зволожувалися піною, є близькою до оптимальної;

3) збільшення початкової вологості зразків, зволожених піною, сприяє зниженню рівноважних напружень і збільшенню релаксуючої частини напружень. При цьому зволоження матеріалу більше величини гігроскопічної вологи приводить до зменшення релаксуючої частини. Тому близькою до оптимальної можна вважати початкову вологість зволожених зразків – 40%.

Для аналізу впливу способу зволоження на кінетику деформації натуральної шкіри зразки зволожувалися двома способами: намоканням і пінним (рис. 4 і 5).

Порівнюючи рис. 4 і рис. 5 та дані табл. 4 можна відзначити, що підвищення температури сприяє збільшенню повної деформації у зразках обох груп, при цьому пружна деформація незалежно від способу зволоження знижується, зростають еластична і пластична деформації.

Аналіз складових пластичної деформації засвідчив, що у зразках, зволожених піною, в умовах без тепломасообміну незворотнє переміщення структурних елементів шкірної тканини є особливо велике у перші секунди після навантаження (більше значення миттєво-пластичної складової (п0, табл. 4), тоді як під час тепломасообміну незворотнє переміщення структурних елементів шкірної тканини у цих зразках найбільше проявляється у період навантаження (більше значення в’язко-пластичної складової (е.п, табл. 4).

Таблиця 4

Деформаційні характеристики шкіри хромового методу дублення з нітроемульсійним покриттям

Умови проведення досліду | Пласти-фікатор | Повна деформація , % | Умовні складові деформації, %

пр | е | п

п0 | е.п

Без зміни температури t=20C і вологовмісту | піна

вода | 33,10,5

32,10,5 | 5,8

4,8 | 1,5

0,9 | 24,3

21,2 | 1,5

5,2

При сушінні з t=90C та зміні вологовмісту | піна

вода | 41,60,5

39,40,6 | 5,6

3,9 | 3,4

2,3 | 21,9

25,8 | 10,7

7,4

Отже, при пінному зволоженні шкіри хромового методу дублення незалежно від умов досліду (без тепломасообміну чи при зміні температури та вологовмісту), збільшується повна деформація зразків, збільшуються пружна та еластична деформації, тоді як пластична деформація несуттєво відрізняється від пластичної деформації зразків, зволожених водою.

Таким чином, якщо волога, введена у натуральну шкіру шляхом занурення її у воду “працює” в основному на рівні прото- й мікрофібріл, тобто лише на надмолекулярному рівні, то пінне зволоження “працює” як на молекулярному так і надмолекулярному рівнях.

Застосування пінного зволоження у виробництві матиме ряд практичних переваг, оскільки збільшення тягучості шкіри покращить процес формування деталей, збільшення пружної й еластичної деформації шкіри сприятиме швидкому приформуванню готового виробу (взуття) до форми стопи людини, а це забезпечить комфортність і безболісну експлуатацію взуття в перші дні носіння, при цьому буде забезпечений привабливий зовнішній вид без втрати початкової форми у процесі експлуатації.

Визначені складові частини деформації зразків та коефіцієнт формостійкості представлені в табл. 5, згідно яких збільшення вологовмісту зразків, зволожених піною, впливає на збільшення формостійкості матеріалу, але зволожувати матеріал більше величини гігроскопічної вологи недоцільно.

Вплив температури на складові деформації і на відносну залишкову деформацію зразків, зволожених піною, зокрема, більш складний, ніж вплив початкової вологості. Використання температур вище і нижче 90?С не забезпечує формостійкість у 70% (табл. 5). При аналізі впливу способу зволоження (намоканням, піною) встановлено, що коефіцієнт формостійкості зразків, зволожених піною, несут-тєво відрізняється від коефіцієнта формостійкості зразків, зволожених водою (табл. 5).

Таблиця 5

Деформаційні властивості шкіри хромового методу дублення без покриття (зразки деформувалися на 40%)

Початкова вологість зразка та температура середовища під час сушіння | Складові частини деформації, , % | Формостійкість

з/, %

пр | ел | з

1. (W=26%, t=90C) зволоження піною | 11,6 | 6,6 | 21,8 | 54,5

2. (W=54%, t=90C) зволоження піною | 8,7 | 3,8 | 27,5 | 68,8

3. (W=40%, t=90C) зволоження піною | 8,4 | 3,3 | 28,3 | 70,8

4. (W=40%, t=62C) зволоження піною | 10,9 | 4,1 | 25,0 | 62,5

5. (W=40%, t=118C) зволоження піною | 9,2 | 3,7 | 27,1 | 67,8

6. (W=50%, t=70C) зволоження піною | 10,9 | 3,9 | 25,2 | 63,0

7. (W=50%, t=110C) зволоження піною | 10,6 | 3,4 | 26,0 | 65,0

8. (W=50%, t=70C) зволоження водою | 10,7 | 4,0 | 25,3 | 63,3

9. (W=50%, t=110C) зволоження водою | 10,3 | 3,5 | 26,2 | 65,5

10. (W=18%, t=22C) без тепломасообміну | 19,2 | 10,0 | 10,8 | 27,0

Досліджено вплив пластифікатора (води або піни) і тепла на механічні властивості натуральної шкіри (табл. 6).

Таблиця 6

Механічні властивості шкіри хромового методу дублення без покриття

Початкова вологість зразка та темпера-тура середовища під час сушіння | Умовний модуль пружності, Е1, МПа | Жорст-кість, D, Н | Напружен-ня при появі тріщин т, МПа | Відносне ви-довження при появі тріщин т, % | Межа міц-ності при розтягуван-ні р, МПа | Відносне видовження при розри-ванні р, %

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7

Зволоження піною

1. (W=26%, t=90C) | 22,4 | 304,6 | 9,2 | 47,9 | 10,9 | 57,6

2. (W=54%, t=90C) | 29,2 | 402,7 | 12,8 | 36,9 | 14,3 | 44,6

3. (W=40%, t=90C) | 25,6 | 355,8 | 11,9 | 42,6 | 13,6 | 48,4

4. (W=40%, t=62C) | 31,2 | 424,3 | 13,4 | 40,0 | 14,0 | 45,9

5. (W=40%, t=118C) | 37,7 | 531,6 | 12,2 | 33,9 | 14,5 | 38,6

8. (W=50%, t=70C) | 40,0 | 544,2 | - | - | 13,4 | 39,7

Продовження табл. 6

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7

9. (W=50%, t=110C) | 42,2 | 590,8 | 14,1 | 34,0 | 15,3 | 44,5

Зволоження водою

10. (W=50%, t=70C) | 49,7 | 705,7 | - | - | 16,3 | 36,7

11.(W=50%, t=110C) | 46,7 | 653,8 | - | - | 16,0 | 39,1

12.Недеформований зразок (Wзр=Wрівн) |

10,9 |

156,8 |

- |

- |

10,7 |

92,0

Згідно табл. 6 зразки, які зволожувалися водою відзначаються більшою жорсткістю, а також дещо більшою міцністю, але мають менше відносне видовженням при розриванні, ніж зразки, що зволожувалися піною.

На механічні властивості матеріалу, що зволожувався піною, впливає початкова вологість і температура сушіння. Збільшення початкової вологості сприяє збільшенню умовного модуля пружності та жорсткості, але якщо початкова вологість не перевищує величину гігроскопічної вологи матеріалу. Збільшення початкової вологості позитивно позначається на міцності зразків, але при збільшенні більше величини гігроскопічної вологи суттєвого збільшення міцності зразків не відбувається, при цьому спостерігається зменшення видовження при розриванні (табл. 6).

Підвищення температури сушіння сприяє збільшенню умовного модуля пружності та жорсткості, при цьому збільшується міцність зразків, а відносне видовження при розриванні зменшується (табл. 6).

Встановлено, що така характеристика як температура зварювання для шкіри хромового методу дублення без покриття не залежить від способу зволоження, початкового вологовмісту та температури сушіння.

З метою оптимізації процесу формоутворення взуттєвої заготовки із шкіри хромового методу дублення без покриття було здійснене планування експерименту. В якості факторів були використані: вологість матеріалу після зволоження, W, % (Х1) і температуру середовища, t, С (Х2), при якій відбувається сушіння матеріалу (далі температура сушіння) до рівноважної вологості матеріалу. За параметр оптимізації вибрано відносне залишкове видовження.

Після перевірки адекватності моделі та значущості коефіцієнтів, одержана із планування повного факторного експерименту, математична модель має вигляд:

Y = 0,237 + 0,021X1 + 0,008X2 | (8)

Для знаходження оптимальних режимних параметрів було здійснене ротатабельне планування другого порядку. Здійснена перевірка на адекватність та значущість коефіцієнтів дозволили одержати рівняння: |

(9)

Аналізуючи рівняння (9) можна зробити висновок, що збільшення формостійкості матеріалу можливе за рахунок збільшення вологості матеріалу та температури сушіння, але при цьому вплив вологості матеріалу на параметр оптимізації в 2,5 рази більший, ніж вплив температури сушіння.

Отже, в результаті планування експерименту були знайдені оптимальні параметри гігротермічного процесу формування взуттєвої заготовки із натуральної шкіри при пінному зволоженні (W=44%, t=95C).

Графічна інтерпритація мате-матичної моделі процесу відображає поверхню відгуку, що містить екстремум функції (рис. 6).

З метою інтенсифікації процесу суші-ння зразків, зволожених піною, досліджувався вакуумно-радіаційний спосіб сушіння.

Визначені складові частини деформа-ції (табл. 7). Найбільша залишкова деформа-ція спостерігається у зразка №1, сушіння якого відбувається при залишковому тиску Рабс=0,059 МПа і температурі середовища t=90С, а найменша – у зразка №4, сушіння якого здійснювалося при Рабс=0,011 МПа і температурі t=50С. Останній зразок має формостійкість менше 70% і відзначається значною пружністю (відносні пружна й еластична складові деформації найбільші) (табл. 7).

Таблиця 7

Деформаційні властивості шкіри хромового методу дублення з нітроемульсійним покриттям (зразки деформувалися на 20%)

Режимні параметри сушіння | Час су-шіння, хв | Складові частини деформації, , % | Формо-стійкість

з/, %

пр | ел | з

1. (t=90C, Рабс=0,059 МПа) | 14 | 1,3 | 2,2 | 16,5 | 82,5

2. (t=50C, Рабс=0,059 МПа) | 33 | 3,2 | 2,3 | 14,5 | 72,5

3. (t=90C, Рабс=0,011 МПа) | 13 | 2,1 | 3,3 | 14,6 | 73,0

4. (t=50C, Рабс=0,011 МПа) | 24 | 3,7 | 3,1 | 13,2 | 66,0

5. Деформовані (Wзр. = Wрівн.)– | 8,4 | 5,2 | 6,4 | 32,0

Таким чином, дослідивши вплив пінного зволоження і вакуумно-радіаційного сушіння на механічні властивості шкіри хромового методу дублення із нітроемульсійним покриттям, можна виділити наступне:

1)

2) від режимних параметрів вакуумно-радіаційного сушіння залежить не тільки тривалість процесу, але й формостійкість. Найкращий показник формостійкості одержано при температурі t=90С і залишковому тиску Рабс=0,059 МПа при одній із найменших величин тривалості сушіння – 14 хв.

3) зразки, які піддавалися зволоженню та сушінню відзначаються меншим відносним видовженням при напруженні 9,8 МПа, при цьому зростає їх умовний модуль пружності і жорсткість порівняно із зразками, які дії вказаних факторів не піддавалися. Міцність та інші показники механічних властивостей зразків шкіри, незалежно від впливу різних режимних параметрів сушіння не погіршуються, відповідають вимогам ДСТУ 2726–94.

Отже, застосування у взуттєвому виробництві вакуумно-радіаційного сушіння при пінному зволоженні дозволить інтенсифікувати процес і скоротити тривалість сушіння без погіршення механічних властивостей натуральної шкіри.

Для знаходження математичної моделі формостворення заготовки взуття в умовах сушіння при тиску нижче атмосферного було здійснене планування експери-менту. За параметр оптимізації вибрано відносне залишкове видовження шкіри хро-мового методу дублення з нітроемульсійним покриттям, за регульовані фактори – температуру сушіння t, С (Х1) та залишковий тиск у вакуум-сушарці Р, МПа (Х2).

Після перевірки адекватності моделі та значущості коефіцієнтів, одержана математична модель має вигляд:

Y = 0,147 + 0,0085Х1 + 0,008Х2(10)

В одержаному рівнянні коефіцієнти біля незалежних змінних позитивні та майже однакові за величиною, а це свідчить про те, що на підвищення формостійкості (збільшення відносної залишкової деформації) майже однаково впливає збільшення температури сушіння та залишкового тиску у вакуум-сушарці.

З метою розробки пінного методу зволоження були проведені експеримен-тальні дослідження визначення впливу різних факторів (температури, виду шкіри, складу піни) на процес пінного зволоження капілярно-пористих матеріалів (рівно-мірність зволоження, кінцевий вологовміст) використовували дві серії дослідів.

У першій серії змінювалася температура зразків, які були представлені двома групами: зразки шкіри хромового методу дублення з емульсійним покриттям; зразки юхти взуттєвої із шкур ВРХ.

У другій серії дослідів змінювалася температура пінного розчину, при цьому досліджувалися три групи зразків: зразки шкіри хромового методу дублення з емульсійним покриттям; зразки юхти взуттєвої зі шкур ВРХ; взуттєвий картон марки ЗП. Тривалість зволоження зразків в обох серіях становила – 10 с.

Згідно рис. 7 (крива 1) нагрівання зразка шкіри хромового методу дублення до температури 40…60?С сприяє інтенсифікації процесу пінного зволоження при цьому вологість зразка після зволоження складає 39…42%, що наближається до величини максимальної гігроскопічної вологи даної шкіри.

У зразків юхти взуттєвої спостерігається інтенсифікація процесу пінного зволоження, але значення кінцевого вологовмісту на 13…16%, нижче, ніж для зраз-ків шкіри хромового дублення. Така різниця пояснюється фізико-хімічною структурою юхти взуттєої, що досліджувалася. Максимальне значення зразків юхти спостерігаються в діапазоні температур 60…80С (крива 2, рис.7). Тому подальші експерименти проводилися у режимі прогріву піноутворюючого розчину.

У результаті проведених досліджень було встановлено, що попередній підігрів піноутворюючого розчину до температури 40…65С дає можливість значно інтенсифікувати процес пінного зволоження капілярно-пористих матеріалів. Так, для шкіри хромового дублення при такому способі зволоження приріст кінцевого вологовмісту збільшується на 23%, для юхти взуттєвої – на 13%, для взуттєвого картону – на 12%.

Проведений аналіз впливу температури пінного розчину на формостійкість шкіри хромового методу дублення з емульсійним покриттям засвідчив, що у зразків, які оброблялися підігрітою піною (розчин підігрівався до температури 40?С і 65?С) спостерігається зростання коефіцієнта формостійкості, тоді як підвищення температури розчину до 85?С знижує коефіцієнт. Отже, з метою підвищення коефіцієнта формостійкості доцільно підігрівати піноутворюючий розчин до 40…65С.

Таким чином, пінне зволоження дозволяє: регулювати вологовміст матеріалу кількістю та параметрами піни (дисперсністю), часом взаємодії піни з матеріалом, а використання підігрітої піни сприяє підвищенню вологопровідності матеріалу. З урахуванням цього був розроблений спосіб зволоження (деклараційний патент №47690 А, Україна).

У п’ятому розділі представлено використання пінного способу зволоження у технології виробництва взуття. Створення нового способу пінного зволоження капілярно-пористих матеріалів стало основою для розробки технологічної схеми яка складається із зон: загрузки-вигрузки взуттєвих заготовок, дозованого нанесення піни на поверхню матеріалу, зволоження (проникнення вологи в структуру матеріа-лу), стабілізації, зняття зайвої піни з поверхні матеріалу. У подальшому технологіч-на схема знайшла свою реалізацію у розробці конструкції зволожувальної камери (деклараційний патент №54302 А, Україна).

Запропоноване конструктивне виконання зволожувальної камери дозволяє:

-

-

-

-

Враховуючи всі особливості нового способу зволоження, була запропонована схема агрегатизації технологічного процесу виготовлення взуття, в якій передбачено використання нової сушильної установки для процесу фіксації форми молекулярним вологовидаленням, яка розроблена у ПНДЛ ІТФ КНУТД.

Впровадження нової технології пінного зволоження капілярно-пористих матеріалів веде до значного покращення екологічної ситуації, як у виробничому приміщенні, так і в зоні розташування виробничого підприємства.

Викладені вище фактори безпосередньо чи опосередковано впливають на вартість кінцевого продукту й екологічну ефективність роботи підприємств, які враховані при визначенні умовного економічного ефекту (додаток).

ВИСНОВКИ

1. Теоретичні та експериментальні дослідження пінного зволоження капілярно-пористих матеріалів показали комплексний вплив таких факторів, як температура розчину, фізико-механічні властивості піни, вид поверхнево-активних речовин на інтенсифікацію процесу масопереносу, а отже, на тривалість процесу зволоження та фізико-механічні властивості матеріалів взуттєвої заготовки.

2. Порівняльний аналіз кінетики релаксації напружень у зразках, зволожених водою і піною, а також проведене імітаційне моделювання на базі співвідношень Больцмана-Вольтерри дозволили теоретично припустити, що в результаті пінної пластифікації зменшуються: стискаюче під дією капілярних сил напруження, напру-ження сил капілярної контракції та напруження, викликане когезійною і адгезійною взаємодією вторинних зв’язків, що пояснює зменшення результуючого напруження, а також зміну інших фізико-механічних характеристик зразків після пінного зволоження.

3. Аналіз результатів комплексу досліджень сорбційних, вологообмінних, деформаційних та релаксаційних характеристик, фізико-механічних властивостей матеріалів легкої промисловості (натуральна шкіра) дозволив визначити:

- інтервали ультрамікропор (0,2…2,5 нм) і радіус найбільш ймовірних пор (0,6…0,7 нм) зразків шкіри хромового методу дублення, що дозволило оптимізувати властивості піни;

- пінне зволоження порівняно зі зволоженням водою знижує у 1,5…2 рази напруження, які виникають у натуральній шкірі при розтягуванні, тобто значно зменшує ступінь деструкції матеріалу під час формування заготовки; незалежно від умов проведення досліду (при тепломасообміні чи без) зразки, які зволожувалися піною мають при розтягуванні більшу повну деформацію, більші значення пружної та еластичної деформацій, ніж зразки, зволожені водою;

- зразки, які зволожувалися піною, відзначаються меншим умовним модулем пружності, меншою жорсткістю, при цьому міцність зразків не погіршується, крім