制革工艺对皮革结构、性能与功能的影响初探_温会涛.pdf
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1、制革工艺对皮革结构、性能与功能的影响初探温会涛,韦永红,牛 泽,刘 琳,林可心,王小卓,但卫华,(.四川大学制革清洁技术国家工程研究中心,四川 成都;.福建省皮革绿色设计与制造重点实验室,福建 晋江;.兴业皮革科技股份有限公司国家企业技术中心,福建 晋江)摘 要:为了解制革工艺对在制品结构、成品革性能与功能的影响,提出通过工艺参数控制工序效果,进而考察工艺效果对在制品结构与性能的影响,并利用特性传递,引入功能材料,设计赋性工艺,考察赋性工艺效果对在制品结构、性能及功能的影响,初步建立制革工艺、皮革结构、性能与功能之间的关系。以坯革填充工序为例,通过考察其结构与性能,确定最优填充工艺,并引入功能
2、化石墨烯材料,进行功能赋性,从而提高其性能与功能。工艺、结构、性能与功能的研究,对合理利用原料皮资源,设计最优工艺,生产高性能、多功能产品提供了依据。关 键 词:制革工程;构效关系;高性能;多功能;填充工艺中图分类号 文献标志码:.,(.,;.,;.,)收稿日期:;修订日期:基金项目:福建省自然科学基金项目()第一作者简介:温会涛(),男,博士,高级工程师,.,主要从事高性能皮革绿色设计与智造技术开发及产业化应用。通信作者:但卫华(),男,博士,教授,博士生导师,.,主要从事制革清洁化生产、高性能皮革绿色设计与制造研究。:,第 卷 第 期 年 月 中 国 皮 革 .,.,.,:;引 言按传统的
3、观点,皮革是一类以天然的动物皮为原料,经过一系列的物理、化学处理而制成的一种以胶原纤维为主要成分的具有三维网状结构的天然高分子复合材料,作为鞋、服、装具与功能材料在日常生活、工业、军事、体育等领域得到广泛应用。但按照现代皮革科学的观点,皮革实质上是高层级皮胶原聚集体的改性产品,由皮胶原及其不同层级聚集态结构体组成,为胶原肽链的几何排列和堆砌状态,包括胶原分子、胶原纤维、高级胶原聚集体和组织在内的多层级胶原聚集体体系。图 工艺结构性能功能之间的关系皮革的用途或使用效能由其功能确定,而功能由其性能决定,性能则与结构相辅相成,其中结构则受工艺控制,又影响工艺的制定与实施。从某种意义上讲,性能是微观结
4、构的宏观表达,因此决定性能的是产品的结构,其取决于制造工艺;而制造工艺的制定,又与原材料的结构与性能存在着密切的关系(图)。原料皮的结构决定着制革工艺的设计,制革工艺又决定了皮革最终产品的结构与性能,而产品的结构与性能又决定着其功能和用途,从而影响制革的经济效益。因此,研究皮胶原纤维的结构调控与构效关系,探讨工艺结构性能功能之间的联系,无论对制革工艺的理论研究还是实践应用都具有十分重要的意义,是制革业从“工艺”走向科学的关键,也是保持制革业长久生命力的基础。制革工艺、皮革结构、性能与功能.制革工艺板块划分工艺是利用各类生产工具对各种原材料、半成品进行加工或处理,最终使之成为成品的方法与过程。制
5、革工艺是利用制革机械设备、皮革化学品牛原料皮进行加工,使其质变成为皮革的技术或方法。根据工艺板块理论,将制革工艺划分为鞣前准备板块(简称“准备板块”)、鞣制板块、湿态染整板块和整饰板块(图)等工艺板块。与制革工段不同的是,其更侧重于工序的功能,工艺板块划分的目的是便于制革工艺的设计、优化、评价与应用。准备板块的功能为“去除制革无用物”,鞣制板块的功能为“交联皮革胶原纤维”,湿态染整板块的功能为“改善坯革革身(理化性能)”,整饰板块的功能为“改善革粒面(感官性能)”,从物质流动上看分别为“减”“联”“加”“涂”,使皮革的结构发生巨大的变化。.工艺参数与工艺效果通过对各工序工艺进行系统分析,提出“
6、工艺效果”来评价工艺的执行情况,工艺效果可用来表征制革工艺的完成状况,也可用来表征加工对象的物理状态,在一定程度上代表其工艺属性与结构属性,可用来做工艺与结构之间的联系。按工艺目的的完成情专题研究中 国 皮 革第 卷图 制革工艺板块的划分况,将工艺效果分为不足()、相对不足()、正常()、相对过度()和过度()个级别(图,假设正常为,相对不足和相对过度为 和,不足和过度为 和)。工艺效果与工艺参数之间存在着必然的联系。当工艺参数为单因素时,由于因素水平与工艺效果存在必然联系,故通过控制因素水平,可使其工艺效果达到不足()、相对不足()、正常()、相对过度()和过度();对双因素而言,假设因素间
7、无交互作用(图),则通过同时控制双因素的水平,进而控制工艺效果;假设因素间存在交互作用(图),通过选取合适的水平区间,也可以控制工艺效果(绿色区域为正常,浅绿为相对不足,黄色为不足;橙色为相对过度,红色为过度);因此,无论双因素之间有无交互作用,都可将双因素转换为单因素,从而达到简化工艺参数的目的,即将某一参数控制在一定范围内,通过控制另一参数的水平,进而控制其工艺效果。同样,三因素和多因素都可以采用类似的方法进行简化处理(图),最终均可通过控制单因素的水平,达到控制工艺效果的目的,从而为简化试验提供便利。这对多参数、多水平的制革工艺的简化提供了依据。图 工序工艺效果与参数之间的关系示意图.皮
8、革及其在制品的结构与组成皮革,从原料皮开始,到裸皮、蓝湿革、皮革、成品革,均是由皮胶原聚集态结构体组成的具有三维网状介孔的生物基复合材料,具有胶原纤维、胶原纤维束、组织体等高层级聚集体结构,如图 所示,主要化学成分为 型胶原蛋白,具有四级结构,肽链由螺旋区和与之连接的非螺旋端肽组成,螺旋区由 个(个 周期结构)氨基酸残基组成,相对分子质量为 。单股肽链呈左手螺旋结构,股左手螺旋结构以右手螺旋形式缠绕成三股复合螺旋结构即原胶原分子,原胶原分子以 错列排布的模型形成初原纤维,初原纤维按一定模式形成微纤维,大约 根以上的微纤维的聚集构成原纤维;原纤维之间紧密排列形成基础胶原纤维,胶原纤维又进一步构成
9、了胶原纤维束,纤维束分而有合、合而有分、纵横交错、穿插交织构成三维立体网状结构的组织体(生物组织、器官),也可以说是胶原纤维束的集合体(即组织体)。图 皮革:不同层级的皮胶原聚集体第 期温会涛,等 制革工艺对皮革结构、性能与功能的影响初探专题研究.皮革性能与功能皮革的性能主要包括感官性能、理化性能、生态性能和功能属性。感官性能包括柔软度、丰满度、紧实度、平细度、弹性、泡感、轻等等,即“轻、绵、泡、软、平、弹、”,主要通过眼看、手摸进行评价,未来发展的方向为采用定量的测试方法,如用压缩性能、拉伸性能、弯曲性能表达柔软度,用拉伸性能、顶伸性能、弯曲性能表达丰满度,用低应变区域的杨氏模量、压缩性能、
10、拉伸性能表达弹性等;理化性能包括物理机械性能和化学性能,前者如收缩温度、撕裂强度、规定符合伸长率、崩破强度、抗张强度等,后者如皮革中挥发物、有害物质含量等,均可参照相应的测试标准;生态性能包括工艺的生态性和产品的生态性,前者包括用水、用电、污染物排放以及所用材料的生态性,后者包括产品的无毒、无害、低碳,可以通过 评价或 绿色设计产品评价技术规范 皮革进行评价;功能属性指材料本身具有防水、阻燃、抗菌等性能。功能是性能的宏观表达,广义上为某一产品能够满足人们某种需要的属性。在创新设计 中是技术系统特定工作能力的抽象化描述,用“动词名词参数”(“”)来描述,其中“动词”表示系统的一个“操作”,“名词
11、”表示承受操作的对象,“参数”表示操作程度是可测量的。如抗菌皮革可以描述为:(皮革)抑制细菌繁殖速度。一般说来,功能越好、越多、越强,产品的用途就会越广。在价值工程中,价值功能 成本,功能是对象满足某种需求的一种属性,实质上等同于使用价值的产出量。本章中,对皮革产品而言,就是其用途或效用,是连接产品价值的一个重要参数。如何把产品链、供应链、创新链、价值链有机地连接起来,并使其达到最佳结合,是一个重要的课题。制革工艺对皮革结构、性能与功能的影响.制革工艺对皮革及其在制品结构的影响制革工艺的加工对象具体为牛盐湿皮,按质量可分为超重磅阉牛皮(张幅,质量 磅)、重磅阉牛皮(张幅,质量 磅)、轻磅未育母
12、牛皮(张幅 ,质量 磅)、小牛皮(张幅 ,质量 磅)等,另外还与产地、兽龄、性别,甚至还与季节、饲养情况有关。不同的牛原料皮需要不同的加工工艺,因此需要对原料皮按品质进行分级与组批。制革工艺板块加工皮革的过程见图,制革的加工对象为盐湿皮,经 个工艺板块处理后,依次得到软化裸皮、蓝湿革、坯革和成品革。牛盐湿皮为采用盐腌法进行保藏与防腐的原料皮,其主要组成为牛皮、盐与污物,而牛皮由表皮层、乳头层、网状层和皮下组织层组成,主要组成为胶原纤维,另还存在少量的弹性纤维、脂肪组织、肌肉组织、汗腺、血管、毛发、表皮以及水分等,除胶原纤维外,其他均为制革无用物,需要通过准备板块除去。因此,理想的软化裸皮的主要
13、组成为胶原纤维,且胶原纤维得到一定程度的分散。蓝湿革为经过铬鞣得到的,其主要成分多点结合了铬鞣剂的皮胶原纤维。坯革为经过复鞣、填充、加脂、染色后的皮革,其主要成分为填充了复鞣剂、填料、加脂剂和染料的皮胶原纤维聚集体;而成品革又在其表面涂覆了成膜剂、填料、染料、助剂等。工艺与结构是相互影响的,加工对象的组成与结构决定了工艺的设计与实施,而工艺则合理地改变了加工对象的组成与结构。图 制革工艺与皮革结构的关系.皮革结构对性能与功能影响衡量皮革性能的参数可能有感官性能、理化性能(含物理机械性能、耐热性能与涂层性能)、生态性能和功能属性。盐湿皮与软化裸皮属于皮,可能具有较好的感官性能和生态性能,但不具备
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