المفهوم الأساسي وآلية مقاومة الماء في الجلد المقاوم للماء

لطالما حظيت المنتجات الجلدية بطلب واسع منذ القدم، ويعود استخدام الجلود إلى العصر الحجري القديم. في ذلك الوقت، كان أجدادنا يستخدمون جلود الحيوانات في صناعة الملابس الجلدية. ومع التطور المستمر للتكنولوجيا، ازدادت متطلبات الناس للمنتجات الجلدية، من استخدام "الجلد الخام" البسيط إلى "الجلد المعالج"، وصولاً إلى إنتاج جلود متعددة الوظائف ذات خصائص ممتازة كالمقاومة للماء والزيوت واللهب. وفي الوقت نفسه، شكّل ظهور الجلود الاصطناعية ذات الخصائص المتميزة تحديًا للجلود الطبيعية.

تُعدّ خاصية مقاومة الماء سمة أساسية في الجلود الحديثة. وتُعتبر هذه الخاصية من أكثر خصائص الجلود استخدامًا في صناعة الملابس والجلود العلوية.العزل المائييتزايد هذا الأمر يومًا بعد يوم. بالنسبة للعديد من المنتجات الجلدية، أضاف المستهلكون شرط "مقاومة الماء" إلى شروط الشراء. وقد جعل الانتشار الواسع لتقنية مقاومة الماء من هذه الخاصية سمةً أساسيةً للجلد نفسه. واليوم، تم تطوير العديد من تقنيات معالجة الجلد المقاومة للماء. تُقدم هذه السلسلة ملخصًا منهجيًا للمحتوى ذي الصلة بأبحاث مقاومة الجلد للماء من ثلاثة جوانب: مفهوم مقاومة الجلد للماء، وآلية مقاومة الماء، وتقنية معالجة مقاومة الماء. يشرح هذا المقال بشكل أساسي مفهوم مقاومة الماء وآليتها.

1. المفهوم الأساسي للجلد المقاوم للماء

يكمن سر مقاومة الجلد للماء في منع تسرب الماء إلى الجهة الأخرى من الجلد. ولأن الجلد بطبيعته محب للماء، فإن دباغة الجلد الطبيعي لا تمنع هذه العملية. تتكون خاصية محبة الماء في الجلد من ألياف الكولاجين المنسوجة في فضاء ثلاثي الأبعاد، وتوجد بين الألياف مسامات شعرية لا حصر لها بأقطار مختلفة. بعد الدباغة، تُضاف مواد كيميائية تُدخل المزيد من المجموعات القطبية، مثل مجموعات الهيدروكسيل والكربوكسيل والأمين. وبفضل مبدأ التوافق، تستطيع هذه المجموعات القطبية تكوين روابط مع الماء.

بعد ملامسة الجلد للماء، يتسبب وجود عدد كبير من المجموعات القطبية في جعله محبًا للماء، وبالتالي يصبح رطبًا. في الوقت نفسه، تسمح الأنابيب الدقيقة الموجودة في الجلد بامتصاص الماء. أما خاصية مقاومة الماء فتمنع حدوث هذه العملية، لذا يمكن تلخيصها في ثلاث نقاط رئيسية:

(1) عدم الترطيب: منع خصائص سطح الفيبرين الظهاري، الذي يكون رطبًا على سطح الماء، هو مرجع الماء.

(2) عدم امتصاص الماء: أداء منع الجلد من امتصاص الماء والتسرب إلى الداخل، أي التخلص من الماء.

(3) مقاومة الماء الدقيقة: أداء منع دخول الماء من جانب الجلد إلى الجانب الآخر، أي مقاومة الماء.

ما سبق ذكره هو ثلاثة جوانب لأداء مقاومة الماء. يجب أن يشمل أداء مقاومة الماء هذه الجوانب الثلاثة، والتي تشير إلى قدرة الجلد على مقاومة امتصاص الماء، ونفاذيته، وتأثره بالماء. مع ذلك، غالبًا ما يفتقر الجلد المقاوم للماء المتوفر حاليًا إلى هذه الجوانب الثلاثة مجتمعة. على سبيل المثال، على الرغم من أن بعض أنواع الجلد المقاوم للماء يمكن أن تتبلل سطحيًا، إلا أنها لا تمنع الماء من اختراق الجلد. في المقابل، على الرغم من أن بعض أنواع الجلد المقاوم للماء لا تتبلل سطحيًا، إلا أن مقاومتها للماء أثناء الحركة ضعيفة. وجود هذه الظاهرة يزيد من غموض فهم الناس للجلد المقاوم للماء. لإعداد جلد مقاوم للماء عالي الجودة، يجب أولًا أن نجعله مقاومًا للماء في الحالتين: المقاومة الثابتة والمقاومة للماء أثناء الحركة. بناءً على ذلك، لا يقلل هذا من الأداء الممتاز للجلد الطبيعي، وخاصةً خصائصه الصحية، بل يجعله أكثر عملية.

ثانيًا، آلية مقاومة للماء مصنوعة من الجلد

من الناحية الظاهرية، يمكن تقسيمها إلى طبقتين: طبقة الطلاء والجلد. بالنسبة لـ"تشنغ ديمون"، نسميه عادةً "رابطة ليفي". يشير الوصف السابق إلى أن مقاومة الماء تعني قدرة الجلد على مقاومة امتصاص الماء ونفاذيته وتبلله. تتمثل الخطوة الأولى في مقاومة الماء في منع سطح الجلد من التبلل، وهو ما يتعلق بمشكلة الرطوبة على السطح الصلب. التفاعل بين التبلل هو التفاعل بين السائل والصلب، والذي يتضمن تلامس الطاقة والسائل والصلابة. يوجد توتر سطحي لسطح التلامس ثلاثي الأطوار. يمكن الحكم على حدوث ظاهرة التبلل من خلال التوتر السطحي: عندما يكون التوتر السطحي للسائل أقل من التوتر السطحي للصلب، يمكن للسائل أن يمتد بشكل مسطح على السطح الصلب ويبلله. في حالة التوتر السطحي، سينكمش السائل على السطح الصلب على شكل قطرات ماء دون أن ينتشر ويبلل، أي أن المواد ذات التوتر السطحي العالي لا يمكنها تبليل المادة ذات التوتر السطحي المنخفض. لذلك، من أجل منع الجلد من التشبع بالماء، يجب أن يكون التوتر السطحي للجلد أقل من التوتر السطحي للماء.

عادةً ما تُعبّر زاوية التلامس عن درجة ترطيب المادة الصلبة. وقد شرح العالم البريطاني توماس يونغ هذه المسألة عندما اقترح معادلة يونغ الشهيرة: عندما يلتصق السائل بسطح مادة صلبة، يمكن التعبير عن درجة ترطيب السطح الصلب بزاوية التلامس θ (أو زاوية الترطيب): cosθ = vs -g-vl-g vs-l

في الصيغة 1: θ — الزاوية بين نقطة التقاء الأطوار الثلاثة: qi-سائل-صلب، والزاوية بين التوتر السطحي بين qi-سائل والتوتر السطحي بين الغاز والصلب؛ والتوتر السطحي بين السائل وqi؛ والتوتر السطحي بين vs-l-صلب-سائل. انظر التفاصيل أدناه:

يوضح الشكل 1 العلاقة بين زاوية التلامس والتوتر السطحي. يُمثل الشكل A حالة ترطيب السائل للسطح الصلب، بينما يُمثل الشكل B حالة عدم الترطيب. يُمكن تحديد درجة ترطيب السطح الصلب من خلال قياس زاوية التلامس، والتي تبلغ عادةً 90 درجة. كما هو موضح في الشكل 1 A، يُشير التفاعل بين المواد الصلبة المحبة للماء والسوائل إلى أن زاوية التلامس θ < 90 درجة تُشير إلى سهولة ترطيب السائل للسطح الصلب، مع ميل السطح الصلب للانكماش وتكوين قطرات سائلة كروية. أما زاوية التلامس θ > 90 درجة فتُشير إلى صعوبة ترطيب السائل للسطح الصلب، أي أن التفاعل بين السطح الصلب الكاره للماء والسائل يكون أكثر فعالية. كلما صغرت زاوية التلامس، زادت قابلية الترطيب؛ فعندما تكون θ = 0 درجة، يكون السطح الصلب مُبللاً تماماً، وعندما تكون θ = 180 درجة، يكون السطح الصلب غير مُبلل على الإطلاق. لذا، ولجعل سطح الجلد جافًا طاردًا للماء، من الضروري أن تكون زاوية التلامس أكبر من 90 درجة، ويمكن تحقيق ذلك بتقليل التوتر السطحي للجلد. إضافةً إلى تغيير زاوية التلامس لمنع تبلل سطح الجلد، تجدر الإشارة إلى أن الجلد نفسه يتكون من ألياف الكولاجين، أي أنه يحتوي على عدد لا يحصى من الألياف ذات أقطار مختلفة. وتسهل هذه الخاصية الشعرية حدوثها، مما يزيد من معدل امتصاص الجلد للماء. لذلك، من الضروري جعل الجلد مقاومًا للماء، مع مراعاة تحسين خاصية طرد الماء في أليافه.

تحدث ظاهرة الخاصية الشعرية نتيجةً لقوى الالتصاق والتكثيف في طبقة الالتصاق الجزيئية، مما يؤدي إلى انحناء سطح السائل. في الوقت نفسه، يتسبب وجود التوتر السطحي في ضغط إضافي على سطح السائل المنحني، مما يؤدي إلى فرق في الضغط بين سطح السائل المنحني والسائل الموجود أسفله. يؤدي هذا الفرق في الضغط إلى ارتفاع أو انخفاض مستوى السائل في الأنبوب الشعري، مما يعوض الضغط الإضافي، وبالتالي يُوازن فرق الضغط. يمكن تحديد ذلك باستخدام معادلة يونغ-لابلاس. تصف معادلة يونغ-لابلاس العلاقة بين الضغط الإضافي للسائل المنحني والتوتر السطحي ونصف قطر انحناء السائل، كما هو موضح في النوع 2. ΔP = γ (1 R1 + 1 R2) النوع 2: ΔP - فرق الضغط بين داخل وخارج سطح السائل؛ γ - معامل التوتر السطحي؛ R1 وR2 - نصف قطر الانحناء الرئيسي للسائل. انظر التفاصيل أدناه:

كما هو موضح في الشكل 2، توجد أنظمة تعايش ثلاثية الأطوار α و β و σ داخل أنبوب شعري. إذا تحقق التوازن ثلاثي الأطوار في أنبوب شعري نصف قطره R، فإن زاوية التلامس للطور α هي θ. في المخطط التوضيحي لمعادلة يونغ-لابلاس، إذا كانت θ < 90°، فإن ΔP < 0، ويكون سطح السائل داخل الأنبوب الشعري مقعرًا، وتسحب القوة المؤثرة على السائل السائل إلى داخل الأنبوب الشعري، مما يؤدي إلى ترطيب السطح الصلب. أما إذا كانت θ > 90°، فإن ΔP > 0، ويكون سطح السائل داخل الأنبوب الشعري محدبًا. لذلك، ولتجنب حدوث التأثير الشعري، يجب أن تكون زاوية التلامس < 90°، ويمكن تحقيق ذلك عن طريق تقليل مساحة السطح الداخلي للأنبوب الشعري لتغيير توتره السطحي.

ثالثًا، آلية مقاومة الماء لطلاء الجلد

يُعد سطح الجلد أول ما يتعرض للماء. بالإضافة إلى تغيير سطح الجلد لمنع تسرب الماء والرطوبة، يمكن استبداله بطبقة من الطلاء المقاوم للماء، مما يجعله خط الدفاع الأول ضد الماء. يكمن جوهر هذه الطبقة في رطوبة الجلد، والتصاق الطلاء، ونفاذية المادة اللاصقة. تُشكل الطبقة الأساسية أساس الطلاء بأكمله، وتُعد لزوجتها عاملاً حاسماً، لذا فإن لزوجة الطلاء ضرورية. يمكن مناقشة تأثير ذلك على الطلاء من منظورين فيزيائي وكيميائي. يُعد السطح الأملس أقل ملاءمة لالتصاق الطلاء من السطح الخشن، وذلك لوجود العديد من التجاعيد والنتوءات الصغيرة وعدم الانتظام على سطح الجلد الخشن، مما يُسهل عملية الالتصاق. يُمكن استخدام عوامل الربط الكيميائي لتحسين مقاومة الماء ولزوجة الطلاء. كما تُعد نفاذية المادة اللاصقة في الطبقة الأساسية عاملاً مؤثراً رئيسياً. الجلد نفسه مادة مسامية ذات بنية ليفية. ووفقًا لقانون التبلل والالتصاق، فإن معدل اختراق اللب في جسم الجلد يرتبط بالعديد من العوامل.

تصف صيغة ساندماير العلاقة بين معدل سرعة الاختراق والتوتر السطحي واللزوجة وزاوية التلامس.

الصيغة الرابعة: سرعة التسرب = درجة المسام × التوتر السطحي × معامل اللزوجة cosθ

من المعادلة 4، يمكننا أن نرى:

(1) القيمة الوظيفية (COSθ) لزاوية البلل (COSθ) تتناسب مع سرعة اختراق اللب، مما يشير إلى أن البلل يلعب دورًا رئيسيًا في اختراق لب الطبقة السفلية.

(2) زيادة المسام، وزيادة التوتر السطحي، وزيادة قيمة معامل التماسك (COSθ) لزاوية التلامس، وتقليل لزوجة السائل، كلها عوامل تُسهم في زيادة سرعة تبلل السائل. في الوقت نفسه، يجب مراعاة عمق الاختراق. العوامل المؤثرة على عمق الاختراق هي نفسها العوامل المؤثرة على سرعة التغلغل، ولكن زيادة عمق اختراق اللب تتطلب تقليل اللزوجة، وتقليل زاوية التبلل، وزيادة التوتر السطحي لللب. من غير المنطقي تقليل زاوية التبلل وتحسين التوتر السطحي في آنٍ واحد. لذلك، يجب ضبط التوتر السطحي بشكل مناسب لزيادة عمق اختراق اللب. على الرغم من أن سرعة الاختراق تتناسب طرديًا مع التوتر السطحي، إلا أنه كلما زاد التوتر السطحي، زادت سرعة الاختراق.

بالإضافة إلى العوامل المذكورة أعلاه، فإن اختراق الجزء السفلي من سطح الجلد يرتبط أيضًا بتركيزه، وحالة الجلد (محتوى الرطوبة، ودرجة المسام، وقطبية الشحنة، وما إلى ذلك) وطرق الطلاء.