Влияние тепловой обработки на показатели релаксации искусственных кож для верха обуви

УДК 685.34.035.53                                    DOI:

Лучшим материалом для верха обуви является натуральная кожа, так как она обладает необходимым комплексом физико-механических и гигиенических свойств. В настоящее время наряду с натуральной кожей для производства заготовок верха обуви широко применяются различные виды искусственных кож. Искусственные кожи представляют собой материал, в большинстве случаев имеющий многослойную структуру, состоящую из волокнистой основы (ткань, трикотажное или нетканое полотно), пропитанной и (или) покрытой пленкообразующими полимерными композициями.

Искусственные кожи уступают натуральным кожам по ряду показателей. Основными недостатками искусственных кож являются: неудовлетворительные формовочные свойства, формоустойчивость и приформовыва-емость обуви к стопе, низкие гигиенические свойства, преждевременное разрушение материала под влиянием факторов окружающей среды и потовыделения.

Вместе с тем, искусственные кожи имеют высокие технологические свойства. Однородность свойств по площади позволяет применять многослойный раскрой и открывает широкие возможности для автоматизации производства. Наличие полимерного покрытия в искусственных кожах позволяет использовать тепловой или высокочастотный нагрев, тиснить, сваривать и формовать детали с высокой производительностью при хорошем качестве. Обувь, изготовленная с верхом из искусственных кож, имеет более низкую стоимость по сравнению с обувью с верхом из натуральных кож, а разнообразие цветовой гаммы и фактуры поверхно- сти этих материалов позволяет расширять ассортимент изготавливаемой обуви.

Перспективным материалом для изготовления деталей верха обуви являются коллагеновые искусственные кожи, они имеют многослойную пористую структуру из нетканой волокнистой основы, состоящей из смеси коллагеновых волокон (которые получают из отходов кож) и небольшого количества химических волокон, проклеенных полиэфируретановыми композициями, или бутадиенстирольными и акрилонитрильными латексами, и пористого лицевого покрытия. Благодаря такому строению эти кожи обладают хорошей гигроскопичностью, влагопоглощением и влагоотдачей. Искусственные коллагеновые кожи эластичные, кожеподобные, хорошо поддаются окрашиванию и тиснению. Обувь с верхом из коллагеновых искусственных кож приформовывается к стопе значительно лучше, чем обувь с верхом из других искусственных кож, но все же хуже, чем обувь из натуральной кожи.

Типовой технологический процесс изготовления обуви с верхом из различных материалов включает ряд операций, многие из которых связаны с воздействием температур в широком диапазоне значений. При производстве обуви используются сверхвысокие (более 800 °С), высокие (200–800 °С), средние и малые (не более 200 °С) тепловые потоки.

Тепловые процессы оказывают различные воздействия на свойства материалов. Сверхвысокие потоки тепла приводят к деструкции полимерного материала и его разрушению. Подобные тепловые воздействия используются при раскрое материала лазером и обжиге краев деталей. Высокие тепловые потоки существенно изменяют термомеханические свойства материалов в зоне обработки, при этом явных деструктивных явлений и разрушения материала не наблюдается. Такие тепловые воздействия применяются, например, при безниточ-ном соединении деталей заготовки из искусственных кож и тиснении лицевой поверхности деталей. Средние и малые тепловые потоки не приводят к деструкции обувного материала и его термическому разрушению, а улучшают механические и упруго-пластические свойства материалов. Применяются такие воздействия преимущественно для придания обувным материалам свойств формуемости и формоустойчивости.

Технология изготовления обуви с верхом из искусственных кож, учитывая сложную структуру и состав этих материалов, имеет отличительные особенности на всех стадиях ее изготовления по сравнению с производством обуви с верхом из натуральных кож.

Наиболее сложными процессами в производстве обуви являются технологические операции формования заготовки верха обуви, от выполнения которых во многом зависит качество изделия. На этапе формования заготовка верха обуви неоднократно испытывает тепловые воздействия. Материал подвергается повышенным температурам на операциях: пластификация носочно-пучковой части заготовки, затяжка заготовки верха обуви, термофиксация обуви и разглаживание верха обуви струей горячего воздуха.

При растяжении заготовки в процессе формования обуви в структуре материалов возникают релаксационные процессы, от скорости протекания которых, зависит продолжительность производственного цикла изготовления обуви и формоустойчивость изделия после снятия с колодки. Воздействие температуры на заготовку верха обуви в процессе её подготовки к формованию, при формовании, а также фиксации формы, снижает энергию межмолекулярного взаимодействия в структуре материала, что приводит к ускорению релаксационных процессов и материалы отформованной заготовки быстрее возвращаются в равновесное состояние.

Процессам релаксации, протекающим в структуре различных обувных материалах при растяжении, а также при воздействии различных технологических факторов уделялось внимание в научных исследованиях разных лет.

Процессы релаксации, возникающие в материалах заготовок из натуральных и искусственных кож, текстильных материалов при одноосном и двухосном растяжении и при воздействии влаги и тепла, изучались достаточно подробно в ранних исследованиях (Растенис и Гутаускас,1972; Луцык и Хомяк, 1979; Островский, К. Ю. и Островский, Ю. К., 2000). По результатам этих исследований можно судить о характере релаксационных процессов, протекающих в структуре обувных материалов при влиянии различных технологических факторов. Однако необходимо отметить, что в этих исследованиях не были изучены искусственные коллагеновые кожи.

Из применяемых для верха обуви материалов достаточно подробно в последние годы исследованы деформационно-прочностные показатели и релаксационные процессы, протекающие в системах материалов верха для войлочной обуви. На основе анализа кривых релаксации и петель гистерезиса исследована формуемость и формоустойчивость обуви с верхом из войлока при одноцикловом растяжении (Зарицкий и Леденева, 2014; Леденева, 2023; Ledeneva and Bokova, 2024).

Свойства современных коллагеновых искусственных кож для верха обуви изучены недостаточно. В работе (Даниленко и Фурашова, 2022) проведены исследования релаксационных свойств коллагеновых искусственных кож, применяемых для производства заготовки верха обуви. Показано влияние различных видов тиснения лицевой поверхности искусственных кож на показатели релаксации, формуемости и формоустойчивости.

В последнее время широко исследованы вопросы прогнозирования процессов релаксации полимерных материалов текстильной и легкой промышленности и осуществлена оценка точности предложенных методов (Макаров, Переборова, Егорова и др., 2017; Демидов, Переборова, Макаров и др., 2022; Переборова и Макаров, 2023; Козлов и Киселев, 2023; Вагнер, Егорова и Егоров, 2024; Переборова, Вагнер, Титова и др., 2024).

Прогнозирование релаксационных свойств натуральных и искусственных кож, текстильных материалов, а также их систем осуществлялось в более ранних работах. Для математического описания релаксационных процессов полимерных материалов предлагалось использовать уравнение Кольрауша, систему уравнений Максвелла-Томсона, модель Кельвина-Фойгта и теорию наследственной вязкоупругости Больцмана-Вольтерры (Бурмистров и Кочеров, 1998; Фурашова, Горбачик и Скоков, 2008).

Моделирование процессов релаксации обувных материалов позволяет с высокой точностью прогнозиро- вать величину остаточных усилий в любой момент времени, что дает возможность осуществить рациональный выбор материалов для обуви высокого качества (Фура-шова, Горбачик и Скоков, 2010).

Постоянное расширение ассортимента искусственных кож для верха обуви за счет использования передовых полимерных составов, внедрения новых типов покрытий и широкого использования коллагеновых волокон в качестве основ искусственных кож требует изучения свойств новых материалов и особенностей их поведения в процессе проведения технологических операций производства обуви. Учитывая, что искусственные кожи состоят из слоев различных полимеров, при установлении технологических режимов обработки обуви с верхом из искусственных кож на этапе формования необходимо учитывать особенности поведения этих полимеров при воздействии на них высоких температур.

Исходя из этого, целью настоящей работы является определение влияния режимов тепловой обработки заготовок обуви с верхом из современных искусственных кож на релаксационные процессы, протекающие в материале при формовании и установление оптимальных режимов тепловой обработки при выполнении формообразующих операций изготовления обуви с верхом из коллагеновых искусственных кож.

Методы и средства исследования 1

Метод исследования релаксационных свойств материалов при одноосном растяжении заключался в деформировании образцов на разрывной машине «FRANK» и в определении с использованием автоматизированного комплекса усилий в испытуемом образце, а также обработки результатов испытаний с записью кривых релаксации усилий (Горбачик, Томашева, Фура-шова и др., 2006).

В ходе испытаний материалов на растяжение, усилия, возникающие при деформации образца, соответствующие им значения удлинений, а также релаксация усилий при фиксированном удлинении регистрируются датчиками разрывной машины «FRANK» и преобразуются посредством аналогового устройства в цифровые значения, которые передаются ПЭВМ. Полученный массив данных представляет собой значения усилий, зафиксированные каждые 250 микросекунд.

Для выполнения поставленной цели были исследованы несколько видов материалов, применяемых для заготовки верха обуви: натуральная кожа арт. «Мираж»

и искусственные кожи артикулов: «Нубук», «Марсель» и «Лак М1614». Отобранные искусственные кожи состоят из нетканой основы, включающей смесь кожевенных и искусственных волокон, вспененного полимерного слоя и полиуретанового покрытия.

Учитывая различную деформационную способность исследуемых материалов по направлениям, раскрой образцов искусственных кож производился вдоль рулона и поперек рулона, натуральной кожи – вдоль и поперек хребтовой линии. Выкраивались образцы прямоугольной формы размерами 200×40 мм с рабочей частью 150×40 мм. Релаксационные свойства материалов исследовались для двух групп образцов, по пять параллельных образцов в каждом испытании. Первая группа образцов исследовалась в нормальных условиях, без воздействия тепловой обработки, вторая группа образцов подвергалась тепловому воздействию.

Методика проведения эксперимента для первой группы образцов заключалась в следующем: образцы закреплялись в зажимах разрывной машины «FRANK» и подвергались одноосному растяжению на 15 % со скоростью 100 мм/мин, время выдержки деформированных образцов составляло 1 час, что соответствует времени выдержки обуви на колодке в процессе формообразующих операций. В течение всего эксперимента для испытуемых образцов материалов осуществлялась запись кривых релаксации усилий с выводом их на экран монитора.

В основу методики эксперимента для второй группы образцов положено моделирование технологического процесса изготовления обуви с верхом из натуральных и искусственных кож. Типовая технология формования верха обуви из натуральных кож предусматривает увлажнение и пластификацию носочно-пусковой части заготовки перед формованием и выполнение операции тепловой фиксации формы верха обуви. При изготовлении обуви из искусственных кож перед формованием заготовку пластифицируют, а фиксация формы верха обуви выполняется способом тепловой обработки. Технологические параметры гидротермических воздействий на испытуемые образцы приняты согласно технологии, используемой на обувных предприятиях при изготовлении обуви с верхом из аналогичных материалов.

Пластификация образцов из искусственных кож производилась на лабораторной установке контактным способом в течение 12 с при температуре 120 °С, а образцы из натуральной кожи пластифицировались термодиффузионным контактным способом с применением увлажнителя и соблюдением аналогичных температурных и временных параметров. Затем пластифицированные образцы закреплялись в зажимах разрывной машины «FRANK» и деформировались по заданным параметрам. Через 15 мин после начала растяжения образцы подвергались тепловому воздействию конвективным способом при температуре 140 °С в течение 4 мин, что имитировало процесс тепловой фиксации заготовки верха обуви после формообразующих операций. Общее время выдержки деформированных образцов составляло 1 час.

С использованием полученного массива данных в автоматическом режиме программного комплекса рассчитывались основные показатели, характеризующие процесс релаксации:

– доля быстропротекающих процессов релаксации усилия ( δ P _б ), %:

δРб =Ро-Р1 ⋅100, (1) Ро где Ро – усилие в начале процесса релаксации, Н; Р1 – усилие после протекания быстрых процессов перестройки структуры материала (5 секунд после момента начала процесса релаксации), Н.

– общая доля релаксации усилия ( δ P _общ ), %:

Р общ = ^{Р о - Р 2} ⋅ 100 ,                  (2)

Ро где Р2 – усилие через один час после начала процесса релаксации, Н.

Результаты исследований 1

Полученные показатели релаксации исследуемых материалов верха обуви представлены в таблице 1.

Анализ результатов 1

Значение показателя начального усилия ( Р ₀ ) зависит от физико-механических свойств материала и оказывает большое влияние на формуемость заготовки верха обуви. Показатель характеризует нагрузку, необходимую для растяжения образцов на 15 %. Как показывают данные таблицы для исследуемых материалов Р ₀ находится в широких пределах от 36,8 Н до 389,2 Н. Величина начального усилия в продольном направлении значительно превышает усилие в поперечном направлении как для образцов первой группы, так и для второй группы образцов. В искусственных кожах наблюдается большая анизотропия свойств, по сравнению с натуральной кожей. При тепловом воздействии начальное усилие при растяжении уменьшается для образцов

Таблица 1 – Показатели релаксации исследуемых материалов

Table 1 – Relaxation indices of the studied materials

Наименование материала	Обработка	Показатели релаксации по направлениям раскроя образцов
		Р 0 , Н		δ P б , %		δ P общ , %
		вдоль	поперек	вдоль	поперек	вдоль	поперек
НК арт. «Мираж»	без обработки	389,2	306,3	11,7	14,7	31,7	34,6
	тепловое воздействие	269,9	203,6	19,8	24,6	52,2	59,4
ИК арт. «Лак М1614»	без обработки	186,5	44,5	15,9	11,8	42,9	64,7
	тепловое воздействие	151,5	36,9	19,0	13,6	46,3	67,7
ИК арт. «Марсель»	без обработки	171,1	39,2	13,8	22,0	33,9	38,9
	тепловое воздействие	153,9	36,8	16,4	26,4	47,4	58,6
ИК арт. «Нубук»	без обработки	226,7	62,3	13,7	17,0	37,2	39,3
	тепловое воздействие	178,5	54,2	15,0	21,2	40,8	41,5

BULLETIN of Vitebsk State Technological University, 2026, № 1 (55)

w 29

натуральной кожи в среднем на 30 %. Для образцов искусственных кож снижение начального усилия находится в пределах от 6 до 21 %, что в среднем составляет 13,5 %. Таким образом, уменьшение показателя начального усилия при растяжении образцов подвергнутых тепловой обработке свидетельствует об улучшении формуемости исследуемых материалов верха обуви.

Показатель доли быстропротекающих процессов ( δ P _б ) характеризует скорость релаксационных процессов в первые 5 секунд после окончания растяжения. Значение показателя зависит от структуры материала и оказывает влияние на интенсивность падения напряжений в образце, находящемся под нагрузкой. Анализ данных таблицы показывает, что значение параметра δ P _б находится в интервале от 11,7 % до 26,4 %. Тепловое воздействие на материал повышает значение показателя доли быстропротекающих процессов для образцов из натуральной кожи в среднем на 40 %, а для образцов искусственных кож в среднем на 18 %.

Показатель общей доли релаксации ( δ P _общ ) отражает падение усилий, происходящее в материале в течение времени наблюдения за процессом релаксации, чем больше его значение, тем лучше релаксирует материал и остаточные напряжения в материале заготовки будут минимальны на момент снятия обуви с колодки. По мнению исследователей, релаксационная способность обувных материалов считается достаточной для обеспечения хорошей формоустойчивости обуви, если общая доля релаксации после выполнения формообразующих операций и операций фиксации формы составляет не менее 45 % (Растенис и Гутаускас,1972; Луцык и Хомяк, 1979; Адигезалов, 1983).

Как показывает анализ данных таблицы показатель общей доли релаксации ( δ P _общ ) в образцах натуральной кожи составляет 31,7 % и 34,6 %, соответственно вдоль и поперек хребтовой линии. Тепловое воздействие на материал позволяет повысить значение анализируемого показателя до 52,2 % и 59,4 %, соответственно вдоль и поперек хребтовой линии. Величина анализируемого показателя согласуется с данными, полученными в более ранних исследованиях (Растенис и Гутаускас,1972; Луцык и Хомяк, 1979; Островский, К. Ю. и Островский, Ю. К., 2000; Даниленко и Фурашова, 2022).

Значение показателя общей доли релаксации ( δ P _общ ) в образцах искусственной кожи находится в широких пределах и варьирует от 33,9 % до 42,9 % и от 38,9 % до 64,7 %, соответственно вдоль и поперек рулона.

Тепловое воздействие на искусственные кожи повышает значение δ P _общ от 40,8 % до 47,4 % и 41,5 % до 67,7 % соответственно вдоль и поперек рулона. Максимальное повышение значения показателя общей доли релаксации ( δ P _общ ) при тепловой обработки наблюдается в образцах искусственной кожи «Марсель», увеличение показателя произошло в среднем на 31 %.

Кривые релаксации усилий образцов искусственной кожи «Марсель» без обработки и подвергнутых тепловому воздействию представлены на рисунке 1.

На кривых выделены характерные точки и участки.

Точка Р ₀ соответствует начальному усилию, возникающему при растяжении образца на 15 %.

Точка Р ₂ характеризует величину остаточного усилия, сохранившегося в образце на момент снятия деформирующей нагрузки через один час после начала процесса релаксации.

Участок Р _0-1 отражает процесс релаксации, протекающий в структуре материала в нормальных условиях в первые 15 мин до теплового воздействия (точка 1).

Участок 1–2 соответствует времени осуществляемого теплового воздействия на образец (4 мин). Тепловое воздействие вызывает резкое падение усилий, вследствие прогрева материала, что значительно ускоряет процесс релаксации. Точка 2 определяет окончание теплового воздействия, в этот момент усилия в материале минимальны.

После прекращения теплового воздействия на кривой наблюдается незначительное кратковременное возрастание внутренних усилий (участок 2–3), вызванное термическим эффектом – сжатием материала при охлаждении.

Последующая выдержка материала в напряженном состоянии в нормальных условиях в течение заданного времени эксперимента приводит к незначительному снижению усилий до точки Р ₂ . Характер наклона кривых показывает интенсивность релаксационных процессов в исследуемых образцах.

Сравнительный анализ кривых релаксации образцов искусственной кожи «Марсель», исследованных в нормальных условиях и подвергнутых тепловому воздействию показал, что пластификация образцов контактным способом в течение 12 с при температуре 120 °С снижает показатель начального усилия на 17 Н в образцах, выкроенных вдоль рулона и на 2,5 Н в образцах, выкроенных поперек рулона.

Рисунок 1 – Кривые релаксации усилий образцов искусственной кожи «Марсель»:

1 – вдоль рулона без обработки; 2 – вдоль рулона с тепловой обработкой;

3 – поперек рулона без обработки; 4 – поперек рулона с тепловой обработкой.

Figure 1 – Stress relaxation curves of artificial leather samples "Marcel":

1 – along the roll without treatment; 2 – along the roll with heat treatment;

3 – across the roll without treatment; 4 – across the roll with heat treatment

Тепловое воздействие на деформируемые образцы конвективным способом при температуре 140 °С в течение 4 мин (участок 1–2) вызывает резкое падение регистрируемых усилий в образцах на 16 Н и 3,5 Н, выкроенных вдоль и поперек рулона соответственно.

Общее снижение релаксируемых усилий (точка Р ₂ ) по сравнению с первоначальным значением (точка Р ₀ ) в образцах не подвергнутых тепловой обработке, выкроенных вдоль рулона, составляет 58 Н и 15 Н в образцах, выкроенных поперек рулона.

Кривые релаксации показывают, что тепловое воздействие повышает интенсивность протекания релаксационных процессов, особенно в образцах, выкроенных поперек рулона, общая доля релаксации ( δ P _общ ) возрастает на 20 %, в образцах вдоль рулона на 13,5 %.

Исследования показали, что при выбранных температурных воздействиях искусственная кожа «Марсель» имеет релаксационные свойства близкие к свойствам натуральной кожи «Мираж» и соответствуют рекомендуемым значениям. Исходя из этого, выбранные режимы теплового воздействия можно рекомендовать при производстве обуви с верхом из искусственной кожи «Марсель».

Кривые релаксации других исследуемых искусственных кож в основном носят аналогичный характер и отличаются значением показателей Р ₀ и Р ₂ , интенсивностью падения и роста усилий (участки 1–2 и 2–3) в зависимости от вида материала и направления раскроя образца.

В образцах искусственных кож артикулов «Нубук» и «Лак» наблюдается повышение показателя δ P _общ при тепловом воздействии в среднем на 3,5 % в продольном направлении и на 2,5 % в поперечном направлении. При этом искусственная кожа «Лак М1614» имеет высокую релаксационную способность, как в нормальных условиях, так и при тепловой обработке, соизмеримую с показателем общей доли релаксации натуральной кожи. Значение показателя общей доли релаксации искусственной кожи «Нубук» составляет в среднем 41 %, что меньше рекомендуемого значения и существенно ниже значения аналогичного показателя, как искусственных кож исследуемых артикулов, так и натуральной кожи, что может привести к недостаточной формоустойчиво-сти готовой обуви.

Как следует из данных литературных источников, тепловое воздействие на заготовку с верхом из искус- ственной кожи в наибольшей степени ускоряет релаксационные процессы, протекающие в структуре материала. Таким образом, подбором режимов тепловой обработки материала заготовки можно достичь более высокого значения показателя общей доли релаксации.

Исходя из этого, следующей задачей, решаемой в данной работе, является корректировка режимов тепловой обработки искусственной кожи «Нубук» с целью достижения более высоких значений показателя общей доли релаксации

Методы и средства исследования 2

Корректировка режимов тепловой обработки осуществлялась с использованием D-оптимального плана второго порядка, который предполагает варьирование факторов на трех уровнях.

В качестве критерия оптимизации принят показатель общей доли релаксации ( δ P _общ ), который должен составлять не менее 45 %.

В качестве исследуемых факторов выбраны: температура пластификации перед формообразующими операциями (Тпл, °С) и продолжительность воздействия тепловой фиксации после формования верха обуви (tф, мин). При выборе области определения исследуемых факторов учитывалась режимная технология изготовления обуви из искусственных кож при выполнении таких операций как, «Пластификация носочной части заготовки» и «Тепловая фиксация полуфабриката обуви».

Постоянными факторами в эксперименте являются: время пластификации перед формообразующими операциями ( t _п = 12 с) и температура тепловой фиксации после формования верха обуви ( Т _ф = 140 °С) (таблица 2).

План эксперимента представлен в таблице 3.

Результаты исследований 2

С использованием программы STATISTICA было получено уравнение регрессии, отражающее зависимость показателя общей доли релаксации ( δ P _общ ) от температуры пластификации ( Т _пл ) и продолжительности тепловой фиксации ( t _ф ). Полученное уравнение, в кодированных значениях переменных, имеет следующий вид:

P общ = 41,0 + 4,2Х 1 + 4,3 Х 2 + 2,2 Х 1 Х 2 . (3)

Таблица 2 – Уровни варьирования факторов

Table 2 – Levels of variation of factors

Факторы	Температура пластификации Т пл , °С ( Х 1 ), продолжительность 12 с	Продолжительность тепловой фиксации t ф , мин ( Х 2 ), Т ф = 140 °С
Max (-)	100	2
0	120	4
Min (+)	140	6

Таблица 3 – План эксперимента

Table 3 – Experiment plan

№ опыта	Х 1	Х 2	δ P общ
1	-	-	34,6
2	-	0	37,5
3	-	+	38,4
4	0	-	36,6
5	0	0	40,8
6	0	+	46,0
7	+	-	38,4
8	+	0	46,0
9	+	+	51,0