Наукові основи ресурсозберігаючих технологій переробки відходів натуральних шкір у матеріали та вироби взуттєвого виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 Міністерства 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 Владислав Петрович, Українська Технологічна Академія, президент Української Технологічної Академії

- Лауреат Державної премії України, доктор технічних наук, професор Дзюба Віктор Степанович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, головний науковий співробітник

- Заслужений працівник побутового обслуговування Росії, доктор технічних наук, професор Прохоров Володимир Тимофійович, Південноросійський державний університет економки і сервісу, завідуючий 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 адресою: 01601, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2.

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 повторного використання. І в цьому відношенні показовою є проблема використання 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 цінність 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 експериментальна перевірка основних положень теорії, розробка рекомендацій для створення ресурсозберігаючих технологічних процесів і технологічного обладнання 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) відповідно 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 ґрунтується 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 параметрів розволокнення натуральної шкіри та створення на його основі теоретичних основ технології розволокнення шкіри при дії навантажень розтягу, при двовісному деформуванні та дії напружень зсуву і розтягу;

розробка теоретичних основ технології гідродинамічного розволокнення 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 структурних 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 матеріалів.

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 технологічних 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, конструкторсько-технологічну розробку обладнання для їх реалізації, експериментальну перевірку основних положень, виробничу апробацію результатів досліджень, 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 композиційних матеріалів, лінійної теорії в'язкопружності з широким використанням апарату теорії диференційних та інтегральних рівнянь, числових методів, теорії ймовірностей та математичної статистики, регресійного та кореляційного аналізу. Конструкторсько-технологічні розробки обладнання виконані на основі аналізу існуючих методів проектування та стандартів із використанням 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 автоматизованої 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 механізму міцності натуральних шкір та виявлені закономірності їх цільового руйнування 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 властивостей, 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 переробки 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 натуральних шкір, яка, на основі моделювання та визначення властивостей композиційної 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 натуральних шкір, визначення найбільш раціональних технологічних схем і конструктивних 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 патентами, у т. ч. на способи і технологічні пристрої для переробки відходів натуральної шкіри.

Наукові положення, висновки та рекомендації, які сформульовані в дисертації, достовірність отриманих результатів забезпечуються використанням сучасних методів аналітичних досліджень із визначенням похибок та ймовірності отриманих результатів, обґрунтованістю прийнятих гіпотез та припущень, узгодженістю аналітичних досліджень з експериментальними результатами, позитивними результатами апробації і рекомендаціями щодо впровадження технологічних досліджень.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:

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

- на основі розроблених моделей та отриманих аналітичних залежностей 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 технологічному обладнанні для переробки відходів шкіряних матеріалів;

- впроваджена у виробництво технологія переробки відходів натуральної шкіри, розроблена технологічна оснастка та проведена дослідна перевірка 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 гідродинамічної переробки дрібних шкіряних відходів, що покладений в основу проектування 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 обґрунтовано ряд гіпотез і технологічних критеріїв; розроблено метод експериментального 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 патентів, 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 засобів виготовлення та ремонту товарів широкого вжитку”, квітень, 1992 - 2004 рр., м. Хмельницький; Всеукраїнська науково-практична конференція “Сучасні проблеми 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 промисловості”, вересень 1996 р., м. Хмельницький; Перша міжнародна науково-технічна конференція “Зносостійкість та надійність машин”, жовтень 1997 р., м. Хмельницький; Міжнародна науково-технічна конференція “Новітні технології в легкій промисловості та сервісі”, вересень 1998 р., м. Хмельницький; Міжнародна 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; Всеукраїнська науково-практична конференція “Створення нових конкурентоспроможних технологій у легкій промисловості та сервісі”, жовтень 1999 р., м. Хмельницький; Третя міжнародна науково-технічна конференція “Зносостійкість та надійність машин”, травень 2000 р., м. Хмельницький; Міжнародна науково-технічна конференція “Ресурсо- та енергозберігаючі технології в легкій, текстильній промисловості та сервісі”, вересень 2000 р., м. Хмельницький; Четверта міжнародна науково-технічна конференція “Зносостійкість та надійність машин”, травень 2001 р., м. Хмельницький; Міжнародна науково-технічна конференція “Автоматизація виробничих процесів”, травень 2002 р., м. Хмельницький; Міжнародна 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. Хмельницький; 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 производства”, листопад 2003 р., м. Вітебськ; Міжнародна українсько-польська наукова конференція “Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції 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 навчальний 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 ресурсозберігаючих 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., Павловим 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 елементом волокнистої структури натуральної шкіри є фібрили. Фібрили утворюють 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, утворюючи 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 волокнистими 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, звивистість 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 морфологічних уявлень про структуру шкіри і використання методів фізико-механіки полімерних і композиційних матеріалів розробити теорію розволокнення відходів шкіряних матеріалів. Детальний аналіз існуючих технологічних процесів розволокнення, розмелу і вторинної переробки шкіряних і волокнистих матеріалів дозволив визначити основні фактори, що характеризують процеси розволокнення натуральної шкіри.

На сьогодні обладнання, що застосовується для механічного розволокнення 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 одношарового і багатошарового 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 інтенсифікації технологічних процесів. Однією з них є ідея використання гідродинамічної кавітації для інтенсифікації процесів дезінтеграції. Кавітаційне руйнування відбувається під впливом імпульсу тиску у вигляді ударної хвилі, що поширюється в процесі схлопування бульбашки. Утворення кумулятивних мікроструминок 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 матеріалів. Найважливішою ідеєю, покладеною в основу побудови технологічної теорії розволокнення натуральної шкіри та інших волокнистих матеріалів 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 квазістатичного 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); гіпотеза 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 персональний 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 вимірювання в усіх дослідах не перевищувала (5...10) %.

Отримані в результаті вимірів дані оброблялися методами дисперсійного аналізу і гістограм. За результатами комплексних структурних вимірювань 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.

Математична оцінка близькості експериментальних і нормальних теоретичних 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 структурних 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 структури 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 складається 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 податливостей J, які генеруються технологічним обладнанням, розділимо криволінійну вісь волокна на безліч частин, кожну з яких будемо вважати далі відрізком прямої.

Це дає можливість визначити компоненти тензора ефективних властивостей 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 пакування, що визначає циклічну симетрію структури шкіри; Сijkl (n) - компоненти тензора ефективних властивостей n-ї елементарної ділянки волокна в його головних осях симетрії властивостей; С (n) - ті самі компоненти, але зведені до головних 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 ефективними 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 найбільш 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 технологічним пристроєм у міжволоконному просторі, представлене у вигляді суперпозиції 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 формується 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 технологічні деформації, які викликають найбільш раціональне розволокнення волокнистої структури шкіри:

(4)

Третій розділ присвячений розробці теоретичних основ проектування 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 міжволоконного 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 простору 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: , .

Початок розволокнення волокнистої структури шкіри відповідає значенням граничних технологічних деформацій max, які, при заданій технологічній довжині волокна (), викликають у матеріалі мінімально можливі за даних умов розволокнення структурні напруження , 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 еліпсоїдальних 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 еліпсоїдальних 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, криволінійної і декартової систем координат.

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

(7)

,

де - компоненти тензора однорідної деформації еліпсоїдального 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 міжволоконного простору.

Поле у міжволоконному просторі представимо у вигляді суми однорідного 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 міжволоконному просторі, поле переміщень будемо визначати через розв'язок рівняння Папковича-Нейбера у вигляді:

(12)

де , , - функції Папковича-Нейбера, що визначаються 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 взаємодії 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 однорідної 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 напруження 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 порушення 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 розволокнення, встановимо значення технологічних, найбільш раціональних деформацій , що приводять до розволокнення структури шкіри. Для цього скористаємося другим представленням потенційної 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 деформацій розволокнення , розв'язуючи отриману систему рівнянь відносно , одержимо явний вираз для ефективної технологічної деформації, що, при відомих фізико-механічних властивостях шкіри (, , , ) і необхідних геометричних характеристиках 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 послідовного деформування волокнистої структури шкіри в два етапи. На першому етапі шкіра розтягується до деформації, яка визначається з рівняння (20), а потім, для фіксації досягнутої структури шкіри, матеріал піддається деформаціям стиснення.

Повторюючи вищевикладену процедуру розв'язання задачі, одержано явний вираз для ефективної технологічної деформації, що, при відомих фізико-механічних властивостях шкіри (, , , ) і необхідних геометричних характеристиках одержуваних волокон (), викликає мінімальні значення технологічних деформацій стиску матеріалу 2, які необхідно створити в технологічному устаткуванні, щоб почався процес розволокнення волокнистої структури шкіри.

При цьому встановлено, що у процесі попереднього витягування шкіри у напрямку осі , волокна орієнтуються в напрямку розтягу, в них формується трансверсально ізотропний тип анізотропії із площиною поперечної ізотропії .

Найбільш повно процес розволокнення структури шкіри реалізується на валковому устаткуванні прохідного типу, де здійснюється послідовне деформування матеріалу напруженнями розтягу і зсуву.

Таке деформування матеріалу дозволяє здійснювати розволокнення структури шкіри, використовуючи ефект зменшення зсувної міцності волокнистих композицій при виникненні напружень зсуву у площині, перпендикулярній осі пучків. При цьому матеріал піддається розтягу до величини граничної відносної деформації (20), що викликає розпрямлення й орієнтування пучків волокон за напрямком технологічних навантажень. Для інтенсифікації процесу розволокнення структури шкіри матеріал піддається впливу напружень зсуву. Вплив зсувних напружень на пучки волокон приводить не тільки до їх взаємного зсуву, але і до повороту навколо осей пучків, що сприяє розриву спайок і склейок, які ще залишились між окремими волокнами і пучками. Внаслідок впливу на волокнистий матеріал комплексом напружень розтягу і зсуву структура шкіри ніби перетирається між бічними поверхнями профільованих валків. При цьому шкіряний матеріал з волокнисто-сітчастого перетворюється у структурований матеріал малої міцності, що складається з практично випрямлених пучків волокон, майже не зв'язаних між собою. Через те, що міцність структурованого матеріалу набагато менша від міцності самих пучків волокон, процес розволокнення триває з меншими енерговитратами, швидше і з кращою якістю одержуваної волокнистої маси.

Використовуючи гіпотези і модель детермінованої волокнистої структури шкіри, ослабленої в результаті попереднього розтягу в напрямку осі , що піддається деформаціям поперечного зсуву під дією напружень , одержано значення ефективної технологічної деформації зсуву , яка викликає найбільш раціональне розволокнення попередньо розтягнутої структури шкіри.

Рівняння (22) дозволяє, при відомих фізико-механічних властивостях шкіри (, , , ) і необхідних показниках якості волокнистої маси ( і ), встановити мінімальні значення технологічних деформацій зсуву, які необхідно створити технологічним обладнанням при обробці попередньо розтягнутої шкіряної сировини, щоб почався процес розволокнення волокнистої структури шкіри.

Четвертий розділ присвячений розгляду основної концепції гідродинамічного розволокнення відходів шкіряних матеріалів. Розглянуті у другому і третьому розділах механічні методи розволокнення структури шкіряних матеріалів виявляються малоефективними, коли розволокненню піддаються відходи шкіри площею, меншою за 1 ... 2 см2. У дисертації набула подальшого розвитку модель гідродинамічного розволокнення шкіряних матеріалів, яка враховує, що при впливі кавітаційної струминки на частинку шкіряного матеріалу, що знаходиться в завислому стані в суспензії, виникає ударний тиск, який долає не тільки когезійну міцність шкіри, але й енергію її руху. У рамках гіпотези кавітаційного впливу на суспензію прийнято два основних припущення: розволокнення волокнистої структури шкіри здійснюється за рахунок механічного ударного впливу гідродинамічних хвиль, які виникають при схлопуванні кавітаційних бульбашок; розволокнення і ніби “розплутування” волокон здійснюється за рахунок проникнення кумулятивних струминок рідинної фази у міжволоконний простір шкіри.

Використовуючи припущення, що вплив кумулятивного струменя на шкіряну частинку подібний до впливу рідинного клина на в'язкопружний напівпростір, а також те, що кумулятивний струмінь, при схлопуванні кавітаційної бульбашки, проникаючи в середовище, зменшує свій радіус і збільшує свою довжину (рівняння Л.Ф. Немчина та І.М. Федоткіна), отримано рівняння, яке дозволяє визначити глибину проникнення кавітаційної струминки у в'язкопружне середовище за час контакту струменя з частинкою шкіри:

(23)

де R та r - відповідно початковий та кінцевий радіуси кавітаційного струменя, м; ; , м2/с2; де - густина рідини кумулятивнюї струминки, кг/м3; - швидкість кумулятивної струминки, м/с; - ефективна густина суспензії, кг/м3; - границя пластичності шкіри, МПа.

Місцеве руйнування частинки за один удар струминки відбудеться в тому випадку, якщо глибина проникнення lв (23) буде більшою чи дорівнюватиме середньому поперечному розміру частинки за напрямком поширення струменя.

З огляду на те, що міцність міжволоконного простору значно нижча за міцність колагенових волокон, кумулятивні струминки будуть намагатися зруйнувати саме найменш протяжну і менш міцну частину волокнистого середовища - міжволоконний простір. Аналіз рівняння (23) показує, що вирішальний вплив на глибину проникнення кумулятивних струминок у товщу матеріалу мають швидкість кумулятивних струменів суспензії і пластичні властивості матеріалу частинок . На рис. 5 показана залежність, з якої встановлюється максимальна товщина шкіряних відходів, яка не повинна бути більшою, ніж глибина кавітаційної струминки lв при заданій кумулятивній швидкості струминки VK. З рис. 5 видно, що для розволокнення відходів натуральної шкіри її товщина не повинна перевищувати hш 310-3 м. Для забезпечення запасу з кумулятивної швидкості, найбільш раціональним є інтервал в межах (VK = 1200...1400 м/с), який дозволяє розволокнювати відходи шкіри товщиною до hш 3,510-3 м. При чому в цей інтервал потрапляють усі типи досліджених шкір. Для гідродинамічного розволокнення тонких відходів шкіряних матеріалів, наприклад, для галантерейних виробів, товщиною до hш 1,510-3 м необхідно рекомендувати інтервал кумулятивних швидкостей в межах (VK = 200...400 м/с). Зменшення більше, ніж у 3 рази кумулятивної швидкості струминки позитивно відбивається на зменшенні робочого тиску в каналі кавітаційного гідродинамічного розволокнювача і зменшує енерговитрати.

Моделюючи процес розволокнення шкіряних відходів за рахунок розклинення і проникнення кумулятивних струменів через міжволоконний простір в одному напрямі як фільтрацію струменів, розглянемо рівняння фільтрації, в яких проекції швидкостей виражені через гідродинамічний контактний тиск у вигляді:

(24)

Тут , , - проекції вектора швидкості V рідкої фази на осі координат x, y, z; , кінематична в'язкість м2/с; - густина рідкої фази кг/м3; p - контактний тиск, викликаний впливом кавітаційних струменів МПа; - пористість волокнистого матеріалу.

Використовуючи диференціальні рівняння Нав'є - Стокса для середовища, яке піддається гідродинамічному розволокненню, підставляючи у них рівняння (24), диференціюючи отримані рівняння по t, представляючи проекції масових сил як проекції на осі x, y, z гідравлічного напору H, припускаючи, що швидкість є неперервною функцією координат, диференціюючи кожне отримане рівняння по x, y, z; змінюючи порядок диференціювання в правій частині, використовуючи метод інтегральних перетворень в кінцевих межах, проводячи дуже громіздкі, але цілком елементарні перетворення, з урахуванням рівняння нерозривності, одержимо рішення рівняння Лапласа щодо двочлена у вигляді:

(25)

де , , (n = 1, 2, 3, …, k); = 1/(x y z); x, y, z - сталі, які визначають зведену проникність шкіряного матеріалу; , - відповідно функції R після першого та другого перетворень.

Для розв'язання рівняння:

(26)

необхідно задати початковий розподіл тиску в кавітаційному розволокнювачі , який у сталому режимі може бути визначений як:

(27)

де - середньостатистичний розмір площі обрізків шкіри, що піддаються розволокненню; - радіус кавітаційної бульбашки, яка формується в кавітаційному розволокнювачі .

...