4. Увлажнение и сушка заготовок верха и деталей обуви [1988 Фукин В.А., Калита А.Н. - Технология изделий из кожи. Учебник для вузов. Часть 1]

Обувь в процессе производства, хранения и носки подвергается воздействию тепла, пара и жидкостей. В результате этих воздействий свойства обувных материалов могут меняться в широких пределах. Наибольший интерес для обувной промышленности представляют воздействия тепла и водяного пара (гигротермическая обработка), а также воздействия тепла и воды (гидротермическая обработка).

Влияние влаги на свойства обувных материалов. Способность влаги менять свойства материалов широко используется в технологии производства обуви, где насчитывается около 30 операций, которым предшествует увлажнение деталей.

Основная цель увлажнения - уменьшение усилий при деформации материала и повышение формоустойчивости изделия. Увлажнение заготовок верха обуви перед обтяжно-затяжными операциями способствует увеличению коэффициента поперечного сокращения материала при растяжении. Согласно работам Ю. П. Зыбина коэффициент поперечного сокращения кож хромового дубления увеличивается при относительной влажности 22-24 % в 2-3 раза в сравнении с воздушно-сухим состоянием. Это позволяет уменьшить на 10-30 % усилие вытяжки материала, необходимое для формования заготовок верха обуви на колодке.

Увлажнение повышает способность кожи к удлинению при нагрузках. По данным Н. И. Шаповала и М. П. Куприянова, при увеличении абсолютной влажности полукожника хромового дубления и термоустойчивой юфти до 25-30 % увеличивается коэффициент удлинения, наблюдается максимальный рост остаточной деформации и максимальное по интенсивности снижение напряжения. Увеличение удлинения при растяжении дает возможность уменьшить припуск на затяжную кромку заготовки верха.

Процесс релаксации напряжения в воздушно-сухой коже протекает очень медленно: за 7 ч напряжение уменьшается всего на 17,4 %. По данным Н. А. Шестаковой, наиболее интенсивно идет процесс релаксации при увеличении влажности кожи до 50%.

В увлажненном образце через 3 ч напряжение падает на 35-40%, а остаточная деформация, по данным М. А. Файбишенко, после пятисуточного хранения достигает 75%. Эта величина остаточной деформации обеспечивает формоустойчивость готовой обуви. Таким образом, кроме того, что повышение влажности кожи снижает деформирующее усилие и ускоряет процесс релаксации в коже, оно увеличивает остаточную деформацию кожи в 2,5 раза.

Формы связи влаги с материалом. На изменение свойств обувных материалов при увлажнении существенно влияет форма связи влаги с материалом. Все влажные материалы в зависимости от их основных коллоидно-физических свойств можно разделить на три вида [13]:

По принципу интенсивности энергии связи влаги с материалом построена схема акад. П. А. Ребиндера, согласно которой связи делятся на химические, физико-химические и физико-механические.

Химическая связь очень прочная и нарушается только при химическом воздействии или прокаливании. Эту форму связи рассматривать не будем.

Физико-химическая связь включает в себя адсорбционную, осмотическую и структурную.

Адсорбционная связь влаги с материалом возникает в результате адсорбции молекул воды молекулами внешней и внутренней поверхности мицелл геля. Активными центрами адсорбции являются полярные группы NH₃⁺, COOH^-, а также группы - NH- и -СО-пептидных связей главных цепей молекул. Эта влага заполняет самые мелкие пространства, обусловленные неплотным соединением основных цепей белка, и раздвигает их в одном направлении на относительно большое расстояние в результате выпрямления изогнутых белковых цепей. Адсорбционная влага поглощается с выделением большого количества тепла, что свидетельствует о значительной энергии связи ее с материалом, поэтому адсорбционную влагу часто называют влагой гидратации. Сила связи влаги гидратации с материалом настолько значительна, что перестает обладать свойствами жидкой фазы: не участвует в растворении веществ, не замерзает, меняет свои электрические свойства. Точное количество ее в коже определить трудно, так как нет ярко выраженной границы между ней и капиллярной влагой [14].

На следующей стадии поглощения влаги материалом молекулы воды проникают в материал вследствие их молекулярно-кинетического движения, обусловленного явлением осмоса. Всякое коллоидное тело состоит не из однородных частиц, а из смеси фракций различной молекулярной массы. Фракции высокой молекулярной массы нерастворимы в воде, а низкой растворимы.

Коллоидное тело представляет собой скелет из замкнутых клеток, стенки которых состоят из фракций высокой молекулярной массы. В клетках находится растворимая фракция, неспособная пройти через их стенки, она попадает внутрь клетки в процессе формования геля. Но через стенки клетки может проникать вода, т. е. стенки клетки представляют собой полупроницаемую оболочку. Растворимая фракция геля находится не только внутри клетки, но и вне ее. Концентрация растворимой фракции внутри больше, чем вне клетки, в результате чего вода проникает в клетку путем избирательной диффузии (осмоса) через ее стенки.

Таким образом, замкнутая клетка является как бы осмотической ячейкой и движение воды обусловлено разностью осмотических давлений растворимых фракций. Эта влага называется осмотической.

Поглощение жидкости в данном случае не сопровождается тепловым эффектом, но вызывает значительное увеличение объема и изменение давления набухания.

К осмотически связанной жидкости надо отнести и жидкость, находящуюся внутри клетки и захваченную ею при образовании геля (структурная влага по классификации П. А. Ребиндера).

Влага, имеющая физико-механическую связь с материалом, может быть разделена на капиллярную и влагу смачивания. Как полагает проф. Ю. Л. Кавказов [13], обводнение в данном случае происходит благодаря конденсации или вследствие капиллярного всасывания в результате смачивания водой стенок . капилляров и действия поверхностных сил.

Рис. 4.1. Схемы механизма капиллярного всасывания (а, б) и капиллярной конденсации (в)

Механизм капиллярного всасывания следующий. Если капиллярную трубку погрузить в смачивающую стенки капилляра жидкость, последняя поднимается по трубке в силу гидростатического давления, образуя на поверхности вогнутый мениск (рис. 4.1, а). Внутреннее молекулярное давление жидкости вогнутой поверхности Р_вог меньше, чем плоской Р_пл, на величину капиллярного давления (рис. 4.1, б):

где ρ - радиус кривизны вогнутой поверхности; σ - поверхностное натяжение.

Тогда Р_вог = Р_пл - Р_σ. Подъем жидкости в трубке будет происходить до тех пор, пока капиллярное давление не будет уравновешено гидростатическим, равным

где h - высота подъема жидкости; g - ускорение свободного падения; γ_ж и γ_п - плотность соответственно жидкости и ее паров.

Исходя из равенства гидростатического и капиллярного давления и учтя, что плотность пара мала по сравнению с плотностью жидкости, можно определить высоту поднятия жидкости в капилляре:

где к - радиус капилляра; θ - краевой угол смачивания.

Из формулы видно, что чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема жидкости.

Иначе обводняются коллоидные капиллярно-пористые тела во влажном воздухе. Поглощать влагу из воздуха способны капилляры определенного размера, в которых может происходить капиллярная конденсация. Рассмотрим механизм капиллярной конденсации на следующем примере. Поместим капилляр, стенки которого смачиваются водой, во влажный воздух температурой t = 20°C и с парциальным давлением пара Р_п = 2132,8 Па. При этой температуре давление насыщенного пара Р_н = 2332,6 Па. Стенки капилляра адсорбируют пар и покрываются слоем влаги толщиной δ. На дне капилляра (рис. 4.1, в) образуется вогнутый мениск. Предположим, что радиус капилляра r = 102 мкм. Известно, что давление насыщенного пара для мениска Р_м такого радиуса составит 0,9 от давления насыщенного пара окружающего воздуха, т. е.

Следовательно, пар в окружающем пространстве при Р_п = 2132,8 Па будет перенасыщенным в мениске капилляра, произойдет его конденсация.

Толщина адсорбируемого стенками капилляра слоя влаги согласно многочисленным экспериментальным исследованиям составляет 10^-5 см для гидрофильных поверхностей. Таким образом, если капилляр сквозной (без дна), то влияние адсорбированных пленок жидкости может произойти в том случае, если радиус капилляра в наиболее узком месте будет равен или меньше 10^-5 см. Если радиус капилляра больше 10^-5 см, конденсация пара невозможна и такой капилляр заполняется влагой только при погружении его в жидкую среду.

Капилляры, радиус которых меньше или равен 10 мкм и которые способны поглощать влагу из влажного воздуха, называют микрокапиллярами. Капилляры, радиус которых превышает 10^-5 см, называют макрокапиллярами, а влага, заполняющая их - макрокапиллярной, или влагой смачивания. Обязательным условием присутствия ее в материале является наличие жидкости и пор, не заполненных капиллярной конденсацией.

Механическая связь влаги с материалом весьма непрочная, особенно влаги смачивания, которая еще менее прочно, чем капиллярная, удерживается гидрофильной поверхностью тела, и влияние силы свободного падения в этом случае на толщину пленки жидкости значительно.

Зависимость между радиусом капилляров и упругостью пара в них можно рассчитать. При упругости пара 40 % происходит капиллярная конденсация влаги в микрокапиллярах. Количество влаги в коже зависит от параметров окружающего воздуха. Чем выше относительная влажность и ниже температура воздуха, тем более крупные капилляры заполняются влагой, тем больше капиллярной влаги и влаги смачивания в коже. Но опыты показывают, что даже при полном насыщении воздуха влагой капиллярная конденсация осуществляется только в капиллярах, радиус которых не превышает 10^-5 см. Более крупные капилляры, даже предварительно заполненные жидкой влагой, теряют ее при этих условиях полностью.

Итак, для процесса увлажнения и сушки обувных материалов и обуви имеют значение адсорбционная, осмотическая и структурная связи, а также связь в микро- и макрокапиллярах.

Влияние различных форм связи влаги с материалом на изменение их физико-механических свойств. При изготовлении обуви необходимо учитывать изменение свойств материала. В связи с этим и характер обводнения материала должен быть различным, так как выделенные нами основные формы связи влаги по-разному изменяют те или иные свойства материала.

Значительно изменяет размеры кожи влага гидратации благодаря увеличению расстояния между основными полипептидными цепями.

На размеры кожи существенно влияет присутствие в ней влаги микрокапилляров: из-за расклинивающегося действия тонких слоев капиллярной влаги площадь и толщина образцов кожи становятся больше. Влага намокания почти не изменяет размеров кожи. Если кожу, полностью насыщенную микрокапиллярной влагой, поместить в воду, то размеры ее не изменятся (рис. 4.2), хотя влага намокания поглощается в значительном количестве.

Рис. 4.2. Зависимость площади кожи S от абсолютной влажности φ><sub>аб</sub>

Рис. 4.2. Зависимость площади кожи S от абсолютной влажности φ_аб

Размеры кож хромового дубления в зависимости от влажности изменяются более значительно, чем размеры кож таннидного дубления.

Б. Поляком, исследовавшим влияние относительной влажности воздуха на деформационные свойства кожи при растяжении, установлено, что максимальное изменение остаточных и упругих деформаций кож хромового дубления при увлажнении сорбцией влаги из воздуха происходит лишь в том случае, если влажность их достигает равновесия с влажностью пара, упругость которого равна 97%, т. е. в момент наступления массовой конденсации влаги в капиллярах.

Следовательно, существенно влияет на деформационные свойства кожи влага гидратации и микрокапилляров. Радиус этих капилляров согласно формуле Томсона равен 16 мкм.

Под влиянием влаги микрокапилляров изменяются и другие механические свойства кожи при растяжении. Г. Г. Поварниным установлено, что голье и кожа таннидного дубления имеют максимальную прочность при увлажнении в воздухе, упругость пара которого близка 100 %. Н. А. Богданов подтвердил данное положение для кож хромового и хромтаннидного дубления и установил, что в этот же момент наступает максимум удлинения кожи при разрыве.

Иначе ведет себя кожа при сжатии. Увлажнение снижает прочность кожи при сжатии. Это объясняется тем, что разрушение происходит в тонкой структуре кожи, а влага гидратации, ослабляя связь между цепями, обусловливает уменьшение сопротивления материала сжатию. Таким образом, на изменение свойств кожи при сжатии существенно влияет влага гидратации.

Влага намокания почти не изменяет эффект, достигнутый поглощением капиллярной влаги. Б. Поляк и А. Сухобоков установили, что при увлажнении до 11,5% кожаных задников для обуви с верхом из юфти сорбцией из воздуха усилие прокола иглой уменьшается на 24%, а при увлажнении жидкой влагой до 25% - на 27%.

Равновесная влажность кожи. Влажность одного и того же материала может изменяться в значительных пределах. Однако после продолжительного пребывания материала с произвольной начальной влажностью в данных метеорологических условиях влажность его стремится к известному пределу, по достижении которого остается постоянной. Эту устойчивую влажность материала называют равновесной.

Равновесная влажность зависит от характера материала, относительной влажности окружающего воздуха (чем она больше, тем выше равновесная влажность) и температуры воздуха (при одинаковой относительной влажности воздуха с повышением его температуры равновесная влажность снижается). Влияние температуры воздуха на равновесную влажность материала менее значительно, чем влияние относительной влажности, поэтому этим влиянием часто пренебрегают.

Рис. 4.3. Равновесная влажность кож хромового (1) и хромтаннидного (2) методов дубления

Кривая, изображающая зависимость степени влажности материала от относительной влажности воздуха (или от упругости паров в нем) при определенной температуре, называется изотермой, или кривой равновесной влажности (рис. 4.3).

Если известна кривая равновесной влажности, можно установить заранее, как будет изменяться влажность материала в конкретных условиях и, следовательно, режимы увлажнения и хранения.

Как видно из рис. 4.3, характер кривой равновесной влажности кож хромового и хромтаннидного дубления одинаков, но равновесная влажность кож хромового дубления выше, чем хромтаннидного при одинаковых метеорологических условиях." При изменении относительной влажности воздуха от 0 до 40 % влажность материала быстро возрастает, а от 40 до 70 % - почти не меняется. Это значит, что в данных условиях физико-механические свойства кожи постоянны. С ростом относительной влажности воздуха от 70 до 97-100 % влажность материалов резко увеличивается в связи с наступлением массовой капиллярной конденсации.

Равновесная влажность материала при полном насыщении воздуха влагой, т. е. при относительной влажности, равной 100 %, называется гигроскопической влажностью.

Гигроскопическая влажность характеризует предел влажности материала, при котором упругость паров у его поверхности равна упругости насыщенного пара. При меньшей влажности упругость паров у поверхности материала ниже упругости насыщенного пара и снижается с уменьшением влажности материала.

Влага поглощается материалом сверх максимального гигроскопического влагосодержания лишь при непосредственном соприкосновении его с жидкостью.

Основные положения теории перемещения влаги в коллоидных и капиллярно-пористых телах. В коллоидных и капиллярно-пористых телах влага может перемещаться в виде жидкости или пара. Частицы заключенной в материале жидкости находятся в равновесии при равномерном распределении влаги по всему объему материала или при равенстве температур в различных точках материала.

Нарушение одного из этих условий влечет за собой более или менее интенсивное перемещение влаги в материале. Иными словами, основными факторами перемещения влаги в материале являются разница (градиент) влажности и температур.

При нарушении равномерного распределения влаги по объему материала, т. е. при наличии градиента влажности, она перемещается из мест с большей ее концентрацией в места с меньшей концентрацией.

В коллоидных телах при нарушении равенства температур в различных точках (при наличии температурного градиента) влага перемещается от поверхностей с высокой температурой к поверхностям с более низкой температурой. При небольшом перепаде температур влага перемещается в виде жидкости. Если перепад температур большой, то влага перемещается в материале в виде пара. Подобное перемещение влаги в теле по направлению потока тепла называется термодиффузией.

В капиллярно-пористых телах влага в виде жидкости перемещается по направлению теплового потока не только в результате диффузии.

Рассмотрим капилляр со столбиком жидкости, ограниченным двумя вогнутыми менисками (рис. 4.4,а). С повышением температуры жидкости поверхностное натяжение σ уменьшается, т. е. если t₁>t₂, то σ₁>σ₂. Так как капиллярное давление P_σ прямо пропорционально поверхностному натяжению и равно 2σ/ρ, то Р₁<Р₂, т. е. капиллярный потенциал нагретой поверхности уменьшается, жидкость перемещается от мест более нагретых к местам менее нагретым. Для упрощения задачи радиусы кривизны менисков жидкости считают одинаковыми.

Движение жидкости по направлению теплового потока называется термовлагопроводностью капиллярно-пористого тела.

Рис. 4.4. Схемы механизмов термовлагопро-водности капиллярно-пористого тела (а) и относительной термодиффузии пара и воздуха (б)

Термовлагопроводность в капиллярно-пористом теле может быть вызвана и другой причиной - наличием "защемленного" воздуха, не сообщающегося с наружным (рис. 4.4, б).

Жидкость в капилляре может проталкиваться воздухом в сторону слоев материала, имеющих меньшую температуру. Это явление называется относительной термодиффузией пара и воздуха.

В коллоидных капиллярно-пористых телах термовлагопроводность слагается из термодиффузии жидкости и пара, капиллярной термовлагопроводности, относительной термодиффузии пара и воздуха. При этом скорость перемещения влаги прямо пропорциональна перепаду температур.

Наличие и влажностного, и температурного градиентов в материале повышает скорость увлажнения, если направление потоков совпадает, или снижает скорость процесса, если направление потоков не совпадает.

Увлажнение материалов при производстве обуви. Для облегчения механической обработки кожи и деталей из нее в каждом отдельном случае необходимо устанавливать, какая из форм связи влаги с материалом окажется наиболее эффективной, и в зависимости от этого выбирать способ предварительного увлажнения.

В производстве обуви применяют несколько способов увлажнения: в жидкой фазе, сорбцией влаги из влажного воздуха, термодиффузионный (контактный).

Увлажнение в жидкой фазе можно выполнять при атмосферном давлении, под давлением и в вакууме.

Увлажнение в жидкой фазе при атмосферном давлении осуществляется путем намокания и кратковременного погружения в воду с последующей пролежкой.

При увлажнении намоканием кожа или деталь, погруженные в воду, наполняются ею под влиянием ряда факторов. В обычных условиях преобладающим видом движения влаги в толщу кожи является капиллярное всасывание. Скорость капиллярного всасывания влаги пропорциональна радиусу пор, поэтому в первую очередь заполняются наиболее крупные капилляры, т. е. кожа поглощает только влагу намокания. Затем влага из крупных пор начинает перемещаться в более мелкие. Общий объем крупных капилляров в 10 раз превышает объем мелких, в связи с чем значительная часть воды остается в первых и оказывается балластом, так как она не изменяет механических свойств кожи. Отдельные топографические участки кожи обводняются неодинаково вследствие неравномерного распределения по площади кожи крупных пор (полы и воротки поглощают влаги больше, чем чепрак и огузок).

Влага, поднимаясь по капиллярам, растворяет и заставляет мигрировать вместе с собой растворимые в коже хромтаннидного дубления вещества, вызывает их скопление в отдельных местах, подтеки и неравномерную окраску. Концентрация в лицевом слое водорастворимых веществ приводит к его ломкости. При этом методе увлажнения ухудшается внешний вид заготовок верха обуви из кож хромового дубления.

При применении поверхностно-активных веществ (ПАВ) скорость увлажнения кож, особенно юфти, повышается, но вымывание жиров и наличие остатков ПАВ снижают ее водостойкость.

При увлажнении намоканием наряду с капиллярным всасыванием влага движется под влиянием градиента влажности в толщу материала. Когда температура воды выше температуры увлажняемого материала, процесс перемещения влаги осложняется еще термодиффузионными явлениями. При намокании всегда имеется избыток влаги, движение ее в кожу носит стационарный характер и завершается наступлением равновесного состояния системы. При изменении условий намокания (например, сильное увеличение гигростатического давления) преобладающим может оказаться не капиллярное всасывание, а движение влаги под действием этого давления.

Рис. 4.5. Кривые распределения влаги по толщине кожи hK после кратковременного погружения образца в воду: 1 - до пролежки; 2 - после пролежки

Начальная стадия процесса увлажнения при кратковременном погружении в воду с последующей пролежкой протекает так же, как при намокании. Во время пролежки характер перемещения влаги в материале меняется. Наличие влаги ограничено количеством, которое успели поглотить наружные слои кожи при погружении в воду, поэтому проникание ее внутрь кожи уже не носит стационарного характера. Влага неравномерно распределена по толщине материала: наружные слои содержат максимальное количество влаги, средние слои минимальное (рис. 4.5). Чтобы влага равномерно распределялась по толщине материала, применяют пролежку. Пролежка - процесс длительный. Например, кожаные задники подвергают пролежке в течение 1,5-2 ч.

Под давлением и в вакууме увлажняют детали низа обуви перед их прикреплением. При увлажнении под давлением вода, находящаяся под давлением поршня, сжимает воздух в капиллярах кожи, быстро заполняет их на значительную глубину и адсорбируется большой поверхностью капилляров. После снятия внешнего давления сжатый воздух расширяется и выбрасывает излишки воды. Увлажненные детали не содержат балластной воды.

Под давлением кожаные детали увлажняются равномерно по толщине и площади. Однако при этом способе вымываются танниды и соли.

Увлажняя кожаные детали в вакууме, можно повысить их влажность до 30-45 % в пересчете на массу влажных деталей. Такой эффект достигается в результате того, что при выдержке деталей в вакууме давление в капиллярах кожи становится ниже атмосферного. При погружении деталей в воду она быстро заполняет капилляры и адсорбируется их поверхностью.

Недостатком способа является значительное количество балластной воды, которая остается в крупных порах кожи, что увеличивает продолжительность сушки. Увлажнение деталей обуви намоканием и окунанием с последующей пролежкой не представляет особых затруднений. Когда содержание влаги не должно быть слишком велико и миграция водорастворимых веществ не может принести существенного вреда, рационально увлажнение намоканием. Способ применяется для увлажнения деталей низа и юфтевых заготовок.

Увлажнение материала поглощением влаги из воздуха принципиально отличается от увлажнения в жидкой фазе. В первый момент сорбции влаги из воздуха наибольшее количество пара поглощается поверхностными слоями кожи. Как отмечалось ранее, в процессе сорбции пара из воздуха выделяется тепло, поэтому температура поверхностных слоев повышается. Когда поверхностные слои обводнились, максимум поглощения передвигается к центру, вызывая перемещение температурного максимума, чему способствует и усилившаяся теплоотдача поверхностных слоев в связи с их повышенной температурой. С момента, когда толщина адсорбированного слоя становится равной 10^-5 см, адсорбированный пар конденсируется в капиллярах поверхностных слоев кожи, создавая градиент влажности и диффузии жидкости в толщу увлажняемого материала наряду с паром. Таким образом, при поглощении влаги из воздуха конденсация ее начинается в самых мелких капиллярах, диаметр которых не превышает 10^-5 см, т. е. обводняются те поры, влага которых меняет способность кожи к деформации при растяжении. Так как на процесс сорбции влаги макроструктура кожи не влияет, при увлажнении сорбцией топография кожи не может иметь существенного значения. Достоинством способа является также и то, что в отличие от увлажнения в жидкой фазе не происходит растворения и миграции водорастворимых веществ.

Таким образом, можно сделать вывод, что для кожаных заготовок верха обуви, особенно цветных, наиболее рационален способ увлажнения сорбцией влаги из воздуха.

Для правильного построения процесса увлажнения сорбцией влаги из воздуха необходимо соблюдать ряд требований. Одним из основных является высокая насыщенность увлажняющего воздуха (не ниже 97%), в противном случае не будет массовой капиллярной конденсации. Чтобы обеспечить такое большое насыщение воздуха влагой в увлажнительной камере, последняя должна быть достаточно герметичной. Это обеспечить трудно, так как необходима непрерывная загрузка и выгрузка увлажняемых деталей. Одно из рациональных решений задачи - конструктивное выполнение камеры в виде Г-образного каркаса, в котором загрузочное отверстие размещается в вертикальной части, а рабочая зона - в горизонтальной, расположенной под потолком. Тогда подогретый влажный воздух, который легче атмосферного, не будет опускаться к загрузочному отверстию, благодаря чему рабочая зона будет достаточно герметичной.

Для ускорения процесса увлажнения необходимо создать движение паровоздушной смеси в камере. Движение воздуха способствует диффузии молекул пара через его пограничный слой, прилегающий к поверхности кожи.

Интенсивность сорбции влаги из воздуха особенно возрастает при увеличении скорости движения воздуха от 0 до 0,5 м/с, при дальнейшем повышении скорости паровоздушной смеси действие этого фактора ослабляется. Такое явление связано с тем, что повышение скорости сорбции увеличивает температуру кожи и теплоотдачу от нее в воздух, причем коэффициент диффузии возрастает медленнее коэффициента теплоотдачи. При движении воздуха со скоростью более 0,5 м/с повышение температуры кожи замедляется, что замедляет скорость сорбции. Учитывая большое сопротивление, которое оказывают движению воздуха находящиеся в камере детали или заготовки верха обуви, рекомендуется скорость движения паровоздушной смеси в рабочей зоне камеры 1-2 м/с.

Воздух должен насыщаться влагой не примешиванием к нему готового пара, а испарением распыленной влаги. При насыщении воздуха паром излишки его, конденсируясь на поверхности увлажняемых предметов, вызывают подтеки и изменяют окраску. При увлажнении воздуха распыленной водой конденсации не происходит. Распылять воду можно форсунками любой системы. Для испарения влаги необходимо тепло, которое рационально подводить с испаряемой водой, подогретой до температуры 80-90 °С.

Ускорить процесс поглощения влаги из воздуха можно подогревом готовой паровоздушной смеси. Однако значительное повышение температуры смеси затрудняет получение полного насыщения воздуха паром, так как с увеличением температуры его относи-, тельная влажность снижается. Кроме того, подогрев влажного воздуха до температуры 60-65 °С приводит к тому, что вначале сорбции температура поверхности кожи за счет теплоты сорбции будет на 15-17 °С выше температуры увлажняющего воздуха, т. е. 75-82 °С, что может отрицательно повлиять на ее качество. При такой температуре увлажняющего воздуха температура кожи к концу увлажнения будет близка к 60 °С. Когда детали или заготовки верха будут вынуты из увлажнительной камеры и помещены в атмосферу наружного воздуха (t_в = 18-20°С), в связи с большим перепадом температур влага будет быстро перемещаться термодиффузией из внутренних слоев к поверхности материала и быстро испаряться.

Рекомендуется в увлажнительную камеру подавать паровоздушную смесь, подогретую до температуры 35-45 °С.

Рис. 4.6. Кривые влияния направления движения влаги на скорость поглощения ее кожей: 1 - от бокового реза к центру кожи; 2 - от бахтармяной поверхности к лицевой; 3 - от лицевой поверхности к бахтармяной

На скорость поглощения влаги кожей v_{п. вл} при всех способах увлажнения большое влияние оказывает направление ее потока. Движение влаги от лицевой поверхности к бахтармяной происходит медленнее, чем в противоположном направлении (рис. 4.6).

Особенно резко скорость поглощения влаги повышается при движении ее со стороны бокового реза к центру кожи.

Более быстрое перемещение влаги от бахтармяной к лицевой поверхности кожи объясняется двумя причинами. Во-первых, более тесное переплетение волокон лицевого слоя сужает капилляры. При хорошей смачиваемости стенок капилляров это вызывает дополнительное движение влаги в сторону суженной части, т. е. к лицевой поверхности. И во-вторых, бахтармяный слой больше набухает, чем лицевой, и в нем задерживается больше воды.

Различная скорость движения влаги сквозь толщу кожи и вдоль ее поверхности через боковой срез обусловлена тем, что степень переплетения волокон в горизонтальном направлении выше, чем в вертикальном. Движение влаги вдоль поверхности , кожи происходит главным образом по системе капилляров более или менее одинакового сечения на всем протяжении. Движению влаги сквозь толщу кожи оказывают значительное сопротивление плотные переплетения волокон. Ни один из перечисленных способов не дает возможности быстро и просто увлажнять кожи, детали и заготовки верха, а при увлажнении часто не достигается необходимая влажность материала.

Термодиффузионный (контактный) способ увлажнения принципиально отличается от двух первых. В рассмотренных способах увлажнения влага движется в основном под действием градиента влажности и только при увлажнении сорбцией из воздуха небольшое значение имеет перепад температур, вызывающий термодиффузию влаги.

При контактном способе градиент температуры имеет решающее значение, так как обычно он бывает значительным. Жидкость в направлении теплового потока перемещается за счет всех трех видов термовлагопроводности (термодиффузии, капиллярной термовлагопроводности и относительной термодиффузии пара и воздуха), в результате чего скорость увлажнения повышается. Градиент влажности в этом случае также играет положительную роль: ускоряет увлажнение и совпадение направлений влажностного и температурного градиентов.

Контактный способ увлажнения кож был разработан и предложен С. В. Арбузовым и Н. В. Соловьевым, основы контактного способа увлажнения заготовок верха обуви, представляющих собой систему материалов, разработаны под руководством проф. Ю. П. Зыбина.

При увлажнении материалов контактным способом увлажняемый материал укладывают лицевой поверхностью на холодную плиту. Верхняя плита нагревается до температуры 75- 125°С. Влага подается на бахтармяную сторону деталей.

Большой перепад температур по слоям кожи вызывает диффузию влаги от горячей поверхности к холодной, что приводит к ее равномерному и быстрому увлажнению. Кроме того, скорость увлажнения повышается в результате того, что часть воды, находящаяся на поверхности кожи, переходит в парообразное состояние. Пар, стремясь выйти наружу, ускоряет диффузию влаги и, проходя по капиллярам внутрь кожи, конденсируется в более холодных ее слоях в микрокапиллярах, что способствует ускорению процесса увлажнения и равномерному распределению влаги по толщине. Увлажнение по площади также равномерно.

Рис. 4.7. Зависимость количества поглощаемой влаги кожей от времени увлажнения (а) и температуры верхней плиты t, °C (б): 1 - 75; 2 - 100; 3 - 125

Как видно из рис. 4.7, имеется явная зависимость между количеством поглощенной влаги m_вл, температурой нагревателя t (верхней плиты) и временем увлажнения τ: чем выше температура нагревателя и время выдержки, тем больше влаги переходит из ткани (влагоносителя) в кожу. Однако режим увлажнения при контактном способе надо выбирать осторожно, так как известно, что тепловое воздействие на кожу при высокой температуре и влажности снижает качество кожи. Это снижение физико-механических свойств кожи происходит из-за того, что вода при воздействии температуры вызывает гидролитическое расщепление белков.

При температуре верхней плиты 125 °С скорость потока настолько велика, что уже через 10-20 с в основном вся влага переходит в увлажняемую систему и дальнейшая выдержка образца в прессе почти не увеличивает суммарную влажность, происходит лишь перераспределение влаги по слоям.

При температуре теплоносителя 125°С нагревание даже в течение 10 с снижает температуру сваривания кожи на 22 °С, в течение 60 с - на 37 °С, что свидетельствует об ухудшении физико-механических свойств кожи.

При увлажнении контактным способом термоустойчивой юфти оптимальной температурой горячей плиты является 70-90 °С. Температура горячей плиты ниже 70 °С замедляет процесс поглощения влаги кожей, температура выше 90 °С приводит к интенсивной потере влаги деталями обуви после увлажнения. Эти потери тем больше, чем выше температура горячей плиты. При повышении температуры холодной плиты снижается абсолютная влажность лицевого слоя. Следовательно, холодная плита должна иметь стабильную температуру, для чего ее охлаждают. В противном случае возможно пересушивание лицевого слоя при увлажнении и его садка при формовании.

Степень увлажнения заготовки верха обуви зависит от плотности структуры материала, его покрытия, разности температур, создаваемых в материале в период увлажнения, и времени увлажнения. Количество влаги, вводимой в кожу при увлажнении, возрастает в известных пределах с увеличением паропроницаемости покрытия и кожи, разности температур и времени увлажнения, а также при уменьшении плотности структуры материала.

Установки для увлажнения заготовок верха и деталей низа обуви. Для увлажнения заготовок верха обуви сорбцией влаги из воздуха имеются установки, работа которых основана на следующих принципах:

Имеются также установки, являющиеся комбинацией указанных выше.

Все эти увлажнительные установки могут работать при различных режимах:

Рассмотрим принцип работы всех типов установок при разных режимах.

Установки с испарением воды со свободной поверхности без принудительного движения воздуха, работающие преимущественно при высокой температуре влажного воздуха, очень просты по конструкции и дешевы в эксплуатации. Но они имеют ряд существенных недостатков.

Из-за разницы температур заготовок верха обуви, загруженных в камеру, и влажного воздуха влага конденсируется на поверхности заготовок, образуя тонкий слой воды, закрывающий доступ влажного воздуха к капиллярам кожи. Увлажнение в данном случае сводится только к медленной диффузии влаги из этого слоя в толщу кожи. Заготовки верха получаются влажными на ощупь, но внутренние слои кожи остаются неувлажненными. Увеличение выдержки заготовок верха в камере мало влияет на прирост влаги, и даже при трехчасовом увлажнении прирост влаги составляет около 2%. Вода, конденсирующаяся на поверхности заготовок верха, вызывает их загрязнение. Конденсация влаги наблюдается не только на поверхности заготовок верха, но и на потолке и стенках камеры, особенно в моменты загрузки и выгрузки заготовок.

Рис. 4.8. Схема установки предприятия 'Свит' для увлажнения заготовок верха обуви

К этому типу установок относится установка предприятия "Свит" периодического действия (рис. 4.8). Рабочая камера 1 вмещает около 20 пар заготовок верха обуви, которые укладывают на полки 2. Воздух увлажняется в результате испарения влаги со свободной поверхности воды, нагреваемой электрическим водонагревателем 3 до температуры 70-80 °С. Температура влажного воздуха 50 °С. Бак 4 с подогреваемой водой размещается в нижней части рабочей камеры. Циркуляция паровоздушной смеси естественная.

Техническая характеристика установки предприятия "Свит"

Так как влага в основном находится на поверхности заготовки верха, часть ее испаряется еще до затяжки. Очевидно, что такое увлажнение мало изменяет физико-механические свойства кожи, но тем не менее несколько увеличивает удлинение при растяжении (1-2% при σ = 10 МПа), что способствует устранению трещин лицевого слоя и порывов при формовании. К недостаткам увлажнительных установок следует отнести также малую вместимость, небольшой технологический эффект, значительные тепло- и влаговыделения в цех через загрузочное отверстие.

В установках, работающих без принудительного движения воздуха при низких температурах, где вода испаряется со свободной поверхности, конденсации влаги на заготовках верха обуви не происходит, но даже при полном насыщении воздуха увлажнение идет крайне медленно. Объясняется это тем, что при низких температурах процесс сорбции имеет малую скорость. Кроме того, при неподвижном воздухе у поверхности увлажняемого материала образуется пограничный слой воздуха, менее насыщенный водяными парами, так как часть их уже поглощена материалом. Тепло конденсации и сорбции повышает температуру пограничного слоя воздуха, дополнительно снижая его относительную влажность. Все это затрудняет процесс увлажнения. При движении паровоздушной смеси в камере увлажнение идет сравнительно быстро. Но чтобы добиться полного насыщения воздуха влагой, необходимо иметь большую поверхность испарения, т. е. увеличенные размеры камеры.

Лучше насыщается воздух влагой в установках, где распыленная форсунками вода испаряется в струе движущегося воздуха при относительно низкой температуре.

Рис. 4.9. Схема элеваторной установки для увлажнения заготовок верха обуви влажным воздухом

Установки этого типа изготовляются элеваторными или роторными непрерывного или периодического действия. Камера 8 элеваторной установки (рис. 4.9) разделена на рабочую зону 5 и рециркуляционный канал 2. Внутри каркас 6 камеры обшит листовым алюминием. Для транспортирования заготовок верха обуви в рабочей зоне имеется элеватор, к которому прикреплены люльки 7 или шесты. Загрузка и выгрузка заготовок верха обуви осуществляются через загрузочное окно 4, которое закрывается дверцами или задвижкой.

Циркуляция воздуха осуществляется вентилятором 3, который отсасывает отработавшую паровоздушную смесь из рабочей зоны и подает в рециркуляционный канал. В рециркуляционный канал разбрызгивается форсунками 1 вода, которая испаряется в струе движущейся навстречу паровоздушной смеси.

Вода может разбрызгиваться сжатым воздухом или под давлением водопроводной сети.

Для полного насыщения воздуха влагой и обеспечения его нагревания до определенной температуры применяется пар. Пар может подаваться в рециркуляционный канал или рабочую зону установки по перфорированной трубе, проходящей через поддон, заполненный водой. Подача пара автоматически регулируется в зависимости от температуры влажного воздуха.

Увлажненный воздух подается в рабочую зону через сепаратор, в котором он освобождается от капель воды. Вода, не испарившаяся в рециркуляционном канале и сконденсировавшаяся в рабочей зоне, через поддон стекает в канализацию.

В камере воздух отдает частично тепло и влагу увлажняемым заготовкам верха обуви.

Техническая характеристика элеваторной установки

Такое увлажнение увеличивает удлинение кожи при σ = 10 МПа на 8-12%, что дает возможность уменьшить припуск на затяжку и сэкономить 2 % материала верха. Форма и размеры обуви, изготовленной при таком способе увлажнения заготовок верха, хорошо сохраняются.

Недостатками таких увлажнительных установок являются громоздкость и сложность конструкций, длительность процесса увлажнения.

Рис. 4.10. Схема роторной установки для увлажнения заготовок верха обуви

В роторных установках (конструкции ЦКБ Минлегпрома РСФСР) увлажняют заготовки верха обуви перед формованием на колодке (рис. 4.10).

Установка работает в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режиме.

Внутри утепленного каркаса 1 находится ротор 2, разделенный вертикальными перегородками 3 на восемь отсеков. В каждом отсеке в четыре яруса закреплено восемь штырей для подвешивания заготовок верха обуви. Ротор 2 смонтирован на трубе и вращается на полой оси 8. Воздух увлажняется в смесительной камере 4 водой, распыленной форсунками 5. Вода на распыление подается насосом из бака через теплообменник, в котором она нагревается до температуры 60±5°С. Увлажненный воздух вентилятором 6 через сепаратор 7, полую ось 8, нижнюю кольцевую распределительную камеру 11 и отверстия в дне каждого отсека ротора 2 подается в рабочую зону установки и отсасывается через отверстия в потолке и верхнюю камеру (коллектор) 9. Дополнительное увлажнение воздуха производится в смесительной 11 и нижней распределительной камерах паром, подаваемым из котельной или парогенератором. Установка работает при полной рециркуляции влажного воздуха. Сконденсировавшаяся вода из верхней камеры и рабочей зоны и неиспарившаяся вода из смесителей камеры сливается в бак и через фильтры подается на повторное распыление.

Ротор через ¹/₈ оборота автоматически останавливается. Отсек, находящийся перед загрузочной дверью, изолируется от всей установки перегородками 10 с плоскими резиновыми клапанами и шибером. Изменение и регулирование параметров увлажнения в установке осуществляются автоматически.

Основными недостатками этой установки так же, как и установок предприятия "Свит", являются неравномерное увлажнение заготовок верха, расположенных на разной высоте, и значительные размеры камеры.

Техническая характеристика роторной установки для увлажнения заготовок верха обуви

Установки, в которых распыленная форсунками вода образует туман в рабочем пространстве, применяют для увлажнения заготовок верха обуви, но могут быть использованы для увлажнения деталей низа перед формованием (рис. 4.11). Корпус установки выполнен в форме цилиндра 1. Внутри корпуса имеется центральная металлическая вращающаяся труба 2, на которой укреплены четыре ряда кронштейнов 3 по шесть в каждом ряду. В нижней части корпуса расположен поддон 4, в который заливается вода (на 2-3 см ниже крышки 7 поддона) температурой 18-20 °С. Под установкой подвешен компрессор 5, который подает воздух в трубу 2. Вода из поддона распыляется сжатым воздухом через форсунку 8, находящуюся в нижней части трубы. Распыленная вода подается на заготовки верха обуви насосом 6, подвешенным к потолку и имеющим куполообразную форму. Крупные капли воды по трубе стекают в поддон и. вновь подаются на распыление. Степень распыления воды регулируется давлением сжатого воздуха. Заготовки из кож хромового дубления с казеиновым покрытием увлажнять в этих установках не рекомендуется.

Рис. 4.11. Схема установки для увлажнения заготовок верха обуви водяным туманом

Техническая характеристика установки для увлажнения заготовок верха обуви водяным туманом

Для ускорения процесса увлажнения заготовки верха обуви предварительно вакуумируют, в результате чего из пор кожи удаляется воздух, препятствующий прониканию влаги. Способ интенсификации процесса увлажнения заготовок верха обуви в вакууме был реализован в устройстве, принципиальная схема которого приведена на рис. 4.12.

Рис. 4. 12. Схема устройства для увлажнения заготовок верха обуви в вакууме

Устройство содержит вакуумные камеры 1 и 15, загрузочно-выгрузочный отсек 20, крышку 18 с приводом от пневмоцилиндров 17, вакуумный насос 7, парогенератор 4, вакуумированные полости 10, низкотемпературные нагреватели 21 и систему автоматического управления 14. Последняя состоит из клапана отсечки 5 верхней вакуумной камеры 1 от вакуумного насоса 7, клапана отсечки 9 нижней вакуумной камеры 15 от вакуумного насоса 7, клапанов напуска воздуха 2 и 13, клапана 6 дозатора подачи воды в парогенератор 4, переключателя 11 сообщения парогенератора 4 с вакуумными камерами 1 и 15, клапана отсечки 12 нижней вакуумной камеры 15 от вакуумированной полости 10, клапана отсечки 8 вакуумированной полости 10 от вакуумного насоса 7.

Устройство работает следующим образом. На держатели 19, находящиеся в загрузочно-выгрузочном отсеке 20, вешают связки заготовок верха обуви 16. Нажимают двумя руками кнопки, и крышка 18 вместе с заготовками верха перемещается пневмоцилиндрами 17 в верхнее положение. Заготовки верха обуви поступают в верхнюю вакуумную камеру 1.

Одновременно с перемещением подвижной крышки для герметизации камер переключатель 11 соединяет парогенератор 4 с камерой 1, а клапан напуска воздуха 13 в нижнюю вакуумную камеру 15 закрывается. После герметизации верхней вакуумной камеры 1 открываются клапан 5, соединяющий ее с насосом 7, клапан 3, соединяющий камеру 1 с вакуумированной полостью 10, и закрывается клапан 8, соединяющий вакуумированную полость 10 с насосом 7. Происходит вакуумирование верхней камеры. После достижения необходимого вакуума клапан 5 отсекает верхнюю камеру 1 от насоса 7, клапан 3 отсекает верхнюю камеру 1 от вакуумированной полости 10, клапан 8 соединяет вакуумированную полость 10 с насосом 7. Включается клапан дозатора подачи воды 6 в парогенератор 4. Пар поступает в верхнюю вакуумную камеру через щели, имеющиеся в ее стенах. Давление пара в камере постепенно повышается до определенного уровня в течение заданного времени. После достижения заданного давления пара в верхней камере 1 отключается клапан дозатора подачи воды 6 в парогенераторе 4. После истечения установленного технологического времени увлажнения включается клапан напуска воздуха 2 в верхнюю камеру. Давление в верхней камере 1 уравнивается с атмосферным.

Пока в верхней вакуумной камере 1 происходит увлажнение заготовок верха, на держатели 19, находящиеся с другой стороны подвижной крышки 18 загрузочно-выгрузочного отсека 20, навешивают новые связки заготовок верха. По истечении полного цикла увлажнения вновь нажимают на кнопки, и крышка 18 для герметизации камер перемещается пневмоцилиндрами 17 в нижнее положение.

При этом в нижнюю вакуумную камеру 15 вводятся заготовки верха для увлажнения, а из верхней вакуумной камеры 1 выходят увлажненные заготовки в загрузочно-выгрузочный отсек 20.

Установка позволит достичь влажности кож хромового дубления 26 % за 5 мин [15].

Промышленные установки для контактного (термодиффузионного) способа увлажнения изготовляют двух типов.

Рис. 4.13. Схемы установок для увлажнения заготовок верха обуви контактным способом: 1 - горячая плита; 2 - нагреватель; 3 - холодная плита; 4 - кожа; 5 - ткань; 6 - перфорационная плита; 7 - вода

Установка первого типа (рис. 4.13,а) состоит из влагоносителя влажной ткани и двух плит: одна нагревается, вторая, холодная, плита в виде диафрагмы или охлаждается, или имеет температуру помещения. Заготовка верха обуви носочно-пучковой частью кладется на влажную ткань. Холодная плита прижимает заготовку к ткани и горячей плите.

В установках второго типа (рис. 4.13, б) влага в виде пара подается через перфорированную плиту непосредственно на бахтармяную сторону заготовки верха. Пар в установке образуется при подогревании воды до кипения или подается извне. Холодная плита выполняется в виде жесткого прижима или резиновой диафрагмы, обжимающей заготовку верха по форме горячей плиты.

4. Увлажнение и сушка заготовок верха и деталей обуви

4.1. Увлажнение заготовок верха и деталей обуви