Особенности формирования отделочных покрытий в производстве искусственной кожи

(В написании этого раздела принимал участия Ю. Б. Кипнис.)

Отделочные покрытия, наносимые на поверхность искусственной кожи в виде тонких пленок со средней толщиной 3-5 мкм, позволяют значительно улучшить декоративные и защитные свойства материала (повысить устойчивость к истиранию и механическим повреждениям, светостойкость, снизить липкость, предотвратить миграцию пластификатора на поверхность изделий, придать кожеподобность, способность регулирования степени блеска, характера окраски и других показателей). Специфика нанесения и формирования отделочных покрытий связана с использованием для их получения метода глубокой печати, который заключается в переносе на подложку раствора полимерной композиции из регулярно расположенных углублений на поверхности печатного цилиндра. Количество наносимого материала зависит от диаметра углублений а и расстояния между ними b, числа линий на одном сантиметре поверхности - линеатуры растра N = 1/(а + b) и глубины элемента h.

Из анализа соотношения между глубиной элемента h и его диаметром, между объемом нанесенного раствора υ на единицу площади и диаметром элемента, а также данных по соотношению площади, покрытой раствором, к общей площади материала следует, что капли, наносимые на материал отделочной композиции, имеют в начальный момент большую толщину в центре по сравнению с толщиной краев. Смачивание поверхности искусственной кожи каплями раствора отделочной полимерной композиции достигается при уменьшении свободной энергии системы, что имеет место при выполнении условия σ_т > σ_ж + σ_тж. Это условие всегда соблюдается вследствие низкого значения поверхностного натяжения σ_ж входящих в состав композиций растворителей, которые оказывают значительное влияние на смачиваемость композиций в целом. Значения поверхностного натяжения для этанола и циклогексанона составляют соответственно 24,05 и 37,67 мН/м [8]. После нанесения композиции в виде отдельных капель специфика формирования покрытии определяется двумя одновременно протекающими процессами: растеканием системы, приводящем к образованию сплошной пленки, и нарастанием вязкости и степени структурирования капель раствора вследствие адгезионного взаимодействия их с поверхностью подложки и удалением растворителя [9].

Способность капель к растеканию определяется разностью между работой адгезии W_A = σ_ж(cos φ + 1) и работой когезии W_к = 2σ_ж, т. е. Аσ = σ_ж (cos φ - 1). В результате растекания капля деформируется с образованием отдельных слоев, резко различающихся по толщине и свойствам; при этом уменьшается высота капли и увеличивается ее радиус r. Наиболее резкие различия в структуре и свойствах наблюдаются между периферийными слоями капли, граничащими с подложкой и отличающимися наиболее высокими вязкостью, степенью структурирования, скоростью удаления растворителя, и центральной ее частью.

На основании анализа кинетики растекания капли с использованием простейших физических моделей этого процесса предложены уравнения, позволяющие определить продолжительность растекания. При их выводе полагали, что капля имеет форму простого геометрического тела, не изменяющуюся в процессе растекания, а скорость растекания постоянна. Соответствие экспериментальных и теоретических моделей достигается при введении различных допущений, зависящих от условий проведения эксперимента. В ряде случаев достигнута хорошая сходимость результатов исследования при использовании упрощенных вариантов математического описания модельных процессов [10].

Если приравнять движущую силу растекания по периметру капли F_p = 2πrΔσ к силе инерции F_и = SρV², где S - площадь боковой поверхности внешней части капли, условно приравненной к цилиндру высотой h = r²/R (R - радиус кривизны капли в начальный момент), получим равенство

Решая это уравнение, получим продолжительность растекания

Рассчитаны времена релаксации растекания капли на поверхности искусственной кожи с учетом параметров растровых валов и единичной капли, наносимой на поверхность этими валами (табл. 1.1).

Таблица 1.1

При расчете величину поверхностного натяжения для смеси циклогексанона и этилацетата при соотношении 2:3 принимали равной 30,84 мН/м с учетом аддитивности этого свойства. Полагали, что капля имеет форму шарового сегмента с диаметром основания а = 2r. Расчет изменения радиуса растекания во времени осуществляли при допущении неизменности dr/dτ и Δσ.

Рассчитанные интервалы времени достаточны для образования монолитного отделочного покрытия до поступления искусственной кожи в сушильную камеру, если отделочная композиция наносится на гладкую поверхность и в процессе растекания не изменяет своих свойств. В реальных условиях с поверхности капли происходит испарение растворителя, приводящее к росту вязкости и снижению подвижности системы. Поверхность полимерной пленки обладает шероховатостью, что также влияет на кинетику растекания. При проведении технологической операции тиснения поверхности искусственной кожи придается вид натурального материала, но при этом возникает неоднородность покрытия по толщине; вдавленные участки поверхности не касаются печатного цилиндра и не имеют отделочного покрытия. Среднее отношение площади углублений по отношению к общей площади материала составляет около 0,3. Подложка представляет собой многокомпонентную систему, физико-химические свойства поверхности которой неоднородны, что также оказывает влияние на кинетику смачивания и растекания.

Из результатов этих исследований и данных изучения структуры покрытий методом оптической микроскопии следует, что в реальных условиях формирования отделочное покрытие представляет собой дискретную пленку. В то же время, учитывая сложность физико-химических процессов, протекающих при нанесении полимерных композиций методом глубокой печати и формировании покрытий, а также влияние на эти процессы многих факторов, которые не могут быть учтены в рассмотренных модельных вариантах, можно допустить возможность образования в тех или иных условиях сплошной тонкой полимерной пленки в результате перекрывания радиуса растекания отдельных капель. Однако рассмотренный выше в общем виде механизм растекания капель свидетельствует о том, что образующееся при этом монолитное покрытие будет состоять из участков, резко различающихся по структуре и свойствам.