Способность кожи к растяжению

Детали из кожи могут при изготовлении изделий и их носке подвергнуться как одноосному, так и двухосному растяжению.

Наиболее подробно изучены свойства кожи при одноосном растяжении, изучение же закономерностей двухосного растяжения начато сравнительно недавно.

Одноосное растяжение изучается на разрывной машине.

Характерными свойствами кожи в деформации одноосного растяжения являются: удлинение при разрыве (тягучесть), упругое и остаточное удлинения при нагрузке 1 кгс/мм2 поперечного сечения образца, коэффициент удлинения, условный модуль упругости, жесткость при растяжении, напряжение при разрыве в кгс/мм2. Влияние времени действия нагрузки характеризуется показателями: релаксация напряжения, релаксация деформации.

Большое осложнение в изучении закономерностей деформаций, и в частности деформации растяжения кожи, вносит ее волокнисто-сетчатое строение, которое имеет разную форму по отдельным кожам, по разным направлениям и в разных участках. Процесс растяжения кожи, исходя из данных ее структуры, наиболее вероятно представлять себе в следующем виде. Приложенная к образцу кожи растягивающая сила распределяется между фибриллами в соответствии с их положением по отношению к направлению растягивающей силы. Фибриллы, расположенные так, что ось их параллельна направлению растягивающей силы, будут испытывать только растяжение; фибриллы, расположенные так, что ось их находится под углом к направлению действующей силы, будут испытывать как растяжение, так и перемещение в направлении перпендикулярном своей оси, так чтобы ее ось расположилась параллельно направлению растягивающей силы. Таким образом, будет происходить ориентация фибриллы, что можно наблюдать в отношении волокон кожи, рассматривая боковую поверхность растягиваемого образца в микроскоп.

Если среда, окружающая фибриллу, препятствует ее движению, то слагающая, вызывающая ориентацию, будет изгибать фибриллу, в результате чего может получиться ее перелом и разрушение образца.

Растягивающая слагающая будет выпрямлять фибриллу, которая вследствие спиральной формы полипептидных цепей обладает некоторой извитостью, и одновременно вырывать ее из общей массы, стремясь растащить фибриллы друг от друга, в результате чего произойдет разрушение образца.

И действительно, наблюдаются два вида поверхности разрыва кожи: а) поверхность с бахромой длинных волоконец и б) поверхность почти гладкая, как бы срезанная ножом. Между этими двумя крайними случаями встречаются промежуточные состояния поверхности, различающиеся по степени волокнистости. Обычно гладкий тип поверхности разрыва получается у жестких кож, обладающих небольшим напряжением при разрыве (в пределах 1,6-2 кгс/мм2). Поверхность с бахромой волоконец обычно наблюдается у мягких кож, которым свойственно разделение волокнистой структуры.

Механизм увеличения длины образца кожи при постоянной нагрузке можно рассматривать в следующем виде.

Часть увеличения длины вызывается выпрямлением фибрилл. Поскольку выпрямление связано с формой полипептидных цепей, а форма эта возникает от взаимодействия функциональных групп цепи, очевидно, она должна носить обратимый характер. Отсюда удлинение за счет выпрямления должно быть упругим и возникать с большой скоростью. Ориентация фибрилл также связана с увеличением длины образца; но так как изменение положения фибриллы встречает сопротивление со стороны окружающих ее фибрилл, то это увеличение длины происходит со значительно меньшей скоростью.

Длина медленно увеличивается и в конце концов прирост ее прекращается или, вернее, делается настолько малым, что не поддается измерению. Таков механизм высокоэластической деформации у кожи при постоянной нагрузке в течение определенного промежутка времени. Время, требующееся для того чтобы прирост длины прекратился, зависит от величины нагрузки. Чем больше нагрузка, тем быстрее происходит ориентация.

При снятии нагрузки наблюдаются следующие явления (рис. 12). Длина образца мгновенно уменьшается на определенную величину, представляющую упругое удлинение, в последующий отрезок времени происходит дальнейшее уменьшение длины с замедленной скоростью. Такое уменьшение длины может длиться несколько недель. После срока, когда уменьшение длины делается неизмеримо малым, длина не достигает первоначальной величины, имеется остающийся прирост, представляющий остаточное удлинение.

Рис. 12. Кривая изменения удлинения во времени после снятия нагрузки.

Очень много для понимания внутренней структуры кожи и оценки ее качества дает форма кривой, получаемой при растяжении кожи с возрастающей нагрузкой вплоть до разрыва. При построении кривых в одном направлении (вдоль хребта или перпендикулярно хребту) наблюдаются три формы кривых у кожи, выражаемые уравнением ε = AQn в пределе напряжения от 0 до 3/4 от разрывающего:

I — форма кривой с выпуклостью в сторону оси абсцисс (n < 1); свойственна всем кожам в мокром состоянии и кожам III класса в воздушносухом состоянии;

II — прямая линия, проходящая через начало координат (n = 1); свойственна кожам II класса и кожам III класса, сильно вынутым в направлении, в котором будет проводиться растяжение;

III — кривая с выпуклостью в сторону оси ординат (n > 1); свойственна кожам, у которых волокна сильно прижаты друг к другу и склеены.

Для кож III класса такая кривая характеризует их плохое качество.

Коэффициент растяжимости кожи А%/кгс колеблется от 2 до 55%/кгс, показатель степени n — от 0,5 до 1,1.

Величина А зависит в большей степени от предварительного растяжения кожи и степени влажности, при котором это растяжение проводилось; с увеличением как предварительного растяжения, так и влажности величина А падает.

Показатель степени n в тех же условиях увеличивается, достигая величины 1,0 и более. Связь между n и А приближенно выражается уравнением:

n = α:A + в, где α для кож III класса колеблется от 0,15 до 0,56 и b = 0,53-0,64. Разница в величине n, вычисленной по этой формуле и определенной из кривых растяжения, не превышает 9%.

Воздухопроницаемость кожи зависит, прежде всего, от ее толщины и пористости. Из тонких шкур рыхлого строения обычно получается кожа с высокой воздухопроницаемостью. Операции, увеличивающие пористость кожи, повышают ее способность пропускать воздух, и наоборот. Все виды покрыв­ного крашения в той или иной мере снижают воздухопрони­цаемость, что связано с закупоркой пор кожи покрывными пленками. В наибольшей степени это относится к лаковым и нитроцеллюлозным покрытиям, которые делают кожу почти воздухонепроницаемой. Хромовые кожи с анилиновой и по­луанилиновой отделкой, с казеиновым покрытием, замша и Велюр относятся к числу наиболее воздухопроницаемых.

Паропроницаемость кожи нельзя отождествлять с ее воз­духопроницаемостью. Для прохождения воздуха через кожу служат сквозные поры. Для прохождения же пара имеется и другой путь — диффузия по кожевому волокну. Двойствен­ный механизм паропроницаемости хорошо объясняет такие явления, когда кожа, будучи совершенно непроницаемой для воз духа, может быть в достаточной степени паропроницае — мой.

Водостойкость кожи характеризуется ее способностью поглощать и пропускать влагу.

Способность коней поглощать влагу определяет водо­стойкость преимущественно жестких кож для низа обуви. Повышенное поглощение влаги подошвенной кожей приводит к ослаблению винтового и клеевого креплений, растаптыва­нию подошвы, более быстрому ее износу за счет истирания, а также к ухудшению теплозащитных свойств кожи.

Как правило, водопоглощение кожи измеряют показате­лем влагоемкости — количеством влаги в образце после на­мокания этого образца в воде в течение определенного вре­мени (2 и 24 ч) и выраженным в процентах от абсолютно су­хой массы образца. Двухчасовая влагоемкость подошвенных кож комбинированного дубления нормируется стандартами; она не должна превышать 60%. Влагоемкость кож хромового дубления достигает 120%.

Способность кожи пропускать влагу характеризуется дву­мя показателями: водопромокаемостью и водопрони­цаемостью. Водопромокаемость измеряется временем, необ­ходимым для сквозного проникновения воды через воздуш — но-сухую кожу, водопроницаемость измеряется количеством воды, прошедшим за единицу времени через предваритель­но размоченный образец кожи. В некоторых случаях быстрая водопромокаемость не сопровождается большой водопроницае­мостью из-за способности волокон отдельных видов кож к сильному набуханию.

Водопромокаемость и водопроницаемость зависят в ос­новном от тех же факторов, что и влагопоглощение; при этом большое значение имеет толщина кожи. Пропитка кож син­тетическими смолами повышает водостойкость, но снижает гигиенические свойства (гигроскопичность, паропроницае — мость) кожи, поэтому такая обработка применяется редко.

Водопромокаемость и водопроницаемость определяют в статических и динамических условиях.

Водопроницаемость хромовых кож в статических условиях не превышает, как правило, 4—5 мл/см2-ч. При полном со­держании жира водопроницаемость юфти находится в преде­лах 0,1—0,5 мл/см2-ч, а после обработки «пылью» должна быть Не более 1,6 мл/см2-ч. Водопроницаемость жестких кож для Низа обуви находится примерно на том же уровне, что и *офти до обработки «пылью».

В динамических условиях водопроницаемость, опре­деляемая для хромовых и юфтевых кож, значительно выше, чем в статических условиях, что связано с разрыхлением волокнистой структуры кожи под действием многократных изгибов в процессе испытания.

Для характеристики механических свойств кожи при ра­стяжении служат показатели прочности при растяжении, прочности лицевого слоя, удлинения, жесткости и модуля упругости.

Прочность кожи при растяжении принято определять пределом прочности при растяжении — разрывной нагрузкой на единицу площади поперечного сечения образца. Предел прочности при растяжении нормируется стандартами на все виды кожи и служит важнейшим показателем ее механичес­ких свойств. Резкое снижение прочности кожи на разрыв сви­детельствует об ослаблении или даже разрушении ее волок­нистой структуры, причиной чего может быть недобро­качественное сырье либо нарушение технологических режи­мов выработки кожи. Поэтому предел прочности при растя­жении является важным контрольным показателем пра­вильности выработки кожи.

Недостаточная прочность кож на разрыв приводит к воз­никновению брака в процессе производства изделий, снижа­ет износостойкость обуви.

Величина предела прочности зависит от исходного сы­рья, вида дубления, отделки кож. Кожи хромового дубления обычно имеют более высокий предел прочности, чем кожи хроморастительного дубления. Это объясняется тем, что в хромовой коже на единицу поперечного сечения приходится большее количество волокон.

Кроме того, структурные элементы хромовой кожи об­ладают повышенной способностью к ориентации при растя­жении. Увлажнение и жирование ведут к повышению преде­ла прочности. Уменьшение толщины при двоении и строгании может резко снизить предел прочности кожи, что объясня­ется нарушением волокнистой структуры.

Например, величина предела прочности при растяжении шеврета составляет 10—15 МПа, шевро — 13—20, свиных хромовых кож — 13—25, кож хромового и хромораститель — ного дубления из шкур крупного рогатого скота — 15 — 35 МПа.

Прочность лицевого слоя при растяжении характеризу­ется величиной напряжения на единицу поперечного сечения образца, при котором на лицевом слое кожи появляются тре­щины. Прочность лицевого слоя связана с эластичностью ко­жевенных волокон в этом слое. Снижение эластичности при­водит к появлению трещин при растяжении и изгибе кожи как в процессе формования верха обуви, так и при ее носке.

Прочность лицевого слоя стандартом нормируется для мягких хромовых кож и юфти (для них этот показатель имеет первостепенное значение) в зависимости от вида исходного сырья. Самая низкая норма установлена для шеврета (не ме­нее 10 МПа), наиболее высокая — для опойка (не менее 18 МПа). Для обувной юфти эта норма составляет не менее 15 МПа.

Удлинение кожи определяет прежде всего формовочные свойства этого материала, а также эксплуатационные свой­ства обуви — сохранение формы обуви в процессе ее носки.

Испытание кож на удлинение проводят при разрывной нагрузке или при определенной нагрузке на единицу по­перечного сечения кожи. Первый показатель характеризует максимальную способность кожи к растяжению и использу­ется для сравнения различных видов кож. Для обувного про­изводства большее значение имеет удлинение не при раз­рыве, а при напряжении 10 МПа, поскольку примерно при таком напряжении происходит формование верха обуви.

Тягучесть кожи варьирует в широких пределах в зависи­мости от сырья и технологии выработки. Из технологических операций наиболее сильно влияют на тягучесть кожи золе­ние, мягчение, жирование и сушка в растянутом состоянии. Первые три операции повышают удлинение кожи, а после­дняя — резко снижает его. Удлинение кожи зависит от то­пографического участка и направления. В большинстве то­пографических участков удлинение в поперечном направле­нии выше, чем в продольном, что объясняется природной анизотропией волокнистого строения шкуры животного.

Стандартами предусмотрены нормы удлинения кожи при напряжении 10 МПа. Средние показатели удлинения для про­дольных и поперечных образцов юфти и большинства видов хромовых кож должны быть на уровне 15—30%, а для шев­рета — на уровне 20—40%.

Для характеристики упругопластических свойств верх­них обувных кож используют показатели упругого и остаточ­ного удлинения. Величину их определяют после разрыва об­разца или при заданном напряжении (обычно при 10 МПа).

Упругопластические свойства кожи формируются по. влиянием многих сырьевых, технологических и других фак торов.

Жесткость кожи, т. е. ее способность сопротивляться де формирующим усилиям, играет большую роль при подбор кож для верха и низа обуви различных видов и назначений поскольку с ней связаны технологические и эксплуатацион­ные свойства изделия — формовочные свойства верха, проч­ность крепления подошвы, гибкость обуви в целом и ее от­дельных частей.

Жесткость кожи определяется по растяжению и изгибу Более распространено определение жесткости по растяже нию, которая характеризуется величиной отношения нагру ки к соответствующему удлинению:

Р

* ‘ — . (3.1

Где д — жесткость, Н;

Р — нагрузка (в Н) на испытуемый образец при на пряжении 10 МПа;

Е — удлинение, выраженное в долях от первоначально длины образца (начальную длину принимают за единицу.

Для сравнения жесткости кожи разной толщины при­меняют условный модуль упругости, который рассчитывают по формуле:

Я = — Ю (3.2)

Где Е — условный модуль упругости, МПа; о~ — напряжение, равное 10 МПа; е — удлинение образца при напряжении 10 МПа. Жесткость и условный модуль упругости связаны между собой соотношением:

8 = Е-Г-Kf (3.3)

Где Р — площадь поперечного сечения образца, м2.

Величина условного модуля упругости подошвенных кож нормируется стандартом.

Термостойкость характеризует устойчивость кожи к воз­действию высоких температур, которому она подвергается при проведении многих операций кожевенно-обувного производ­ства, а также при носке обуви.

Термостойкость сухой и влажной кожи различна. Кожа в сухом состоянии обладает высокой устойчивостью к темпера­турным воздействиям (до 200°С). На влажную кожу нагрева­ние действует сильнее и может привести к полному ее раз­рушению. В связи с этим термостойкость кожи определяют во влажном состоянии. Количественной характеристикой кожи к воздействиям тепла и влаги служат показатели температу­ры сваривания и гигротермической устойчивости.

Сваривание проявляется в уменьшении длины образца при нагревании во влажной среде до момента достижения определенной температуры. Температура сваривания являет­ся показателем прочности и устойчивости внутренней струк­туры кожи. В наибольшей степени она зависит от способа дуб­ления: кожа жирового дубления имеет температуру сварива­ния 65°С, растительного дубления — 70—85, хромового — до 130, формальдегидного — 90°С. Присутствие кислоты в коже приводит к резкому снижению температуры сварива­ния. Некоторое снижение этого показателя вызывается так­же разрыхлением микроструктуры кожи.

Гигротермическую устойчивость определяют по сниже­нию прочности мокрой кожи при действии повышенной тем­пературы (60°С) в течение 4 ч. Кожи хромового и комбиниро­ванного дубления имеют высокую устойчивость к гигротер — мической обработке.

Сопротивление истиранию — это эксплуатационный по­казатель, позволяющий судить об износостойкости подошвен­ной кожи. Истирание является одним из основных факторов износа кожаных деталей верха обуви, особенно подкладки.

Сопротивление истиранию подошвенных коне колеблется в широких пределах в зависимости от исходного сырья, осо­бенностей выделки кожи, ее влажности и условий испыта­ний. Наиболее устойчивы к истиранию подошвенные кожи из шкур крупного рогатого скота.

Сопротивление истиранию неодинаково по слоям и то­пографическим участкам одной и той же кожи. Средний слой кожи наиболее прочен к истиранию, лицевой и бахтармяный слои значительно уступают ему по этому показателю, что обусловлено различиями в волокнистом строении кожи по ее толщине.

Сильно выражена и имеет большое практическое зна­чение неравномерность истираемости по топографическим участкам. Воротки и полы вдвое-втрое уступают чепраку по сопротивлению истиранию. В пределах чепрака разница в ис­тираемости между его самой прочной огузочной и приворот — ковой частями достигает 150— 200%. Все это учитывается в обувном производстве при раскрое кож на различные по износостойкости детали низа.

Наибольшим сопротивлением истиранию обладают кожи комбинированных способов дубления с применением соедине­ний титана и циркония и хромового дубления, затем следуют кожи хроморастительного и хромосинтанорастительного дуб­ления, вырабатываемая до недавнего времени подошвенная кожа чисторастительного дубления наименее стойка к исти­ранию. Те факторы, которые при прочих равных условиях придают коже более высокую эластичность и прочность при сжатии, увеличивают ее стойкость к истиранию.

Сопротивление истиранию кож для низа обуви нормиру­ется стандартами при испытании их в сухом состоянии на приборе УкрНИИКПа и в мокром состоянии — на приборе А. И. Позняка. В первом случае стандартная норма — не ме­нее 150 оборотов на 1 мм толщины кожи, во втором — не менее 5,5 час/мм.

Кожа относится к числу очень неоднородных материалов. Ее свойства изменяются в зависимости от толщины, направ­лений и топографических участков в отдельной коже, один и тот же вид кожи может быть различным в одной партии и тем более в разных партиях.

Неоднородность свойств кожи осложняет систему управ­ления ее качеством, затрудняет технологию обувного произ­водства, уровень и темпы ее механизации и автоматизации, обусловливает и неравномерность свойств обуви.

Таким образом, рассмотрены основные свойства кож.

Следует отметить, что многие свойства взаимосвязаны, часть свойств (предел прочности и эластичность при сжатии) не нормируется стандартами, хотя они являются очень важ­ными для отдельных групп кож. Например, такое важное свойство, как износостойкость (сопротивление к истиранию) подошвенной кожи, тесно связано с прочностью и эластич­ностью, определяемых при сжатии, однако данные показа­тели не нормируются стандартом. Целесообразность учета дан­ных показателей для оценки качества подошвенных кож убе­дительно доказана в наших исследованиях [8, 10, 12].