Кишечные нано-композиты натуральных струн
Структура коллагена на разных уровнях масштабирования
Кишечные нано-композиты натуральных струн
Человечество изготавливает тетиву для луков и струны для музыкальных инструментов из натуральных жил уже более 3300 лет. Пьер Баболат выпустил первые наборы натуральных струн для только что появившейся игры в теннис в 1875 году. Натуральные струны сейчас используются как теннисе , так и в бадминтоне. В русском языке привилось название «натуральные струны», хотя правильней было бы называть «Струны из натуральных жил» (Natural gut string).
Исходный сырьем для производства таких струн являются кишки животных - самый упругий материал для изготовления теннисных струн. У него наилучшая комбинация натяжения и удержания, а также мягкости, необходимые контроля мяча при ударе теннисной ракеткой по сравнению с другими материалами.
В процессе изготовления качественных струн из натуральных жил много ручного труда, а сам процесс занимает 60 дней.
Основной процесс прост, но в нем есть много изменяющихся технологических параметров, которые и определяют свойства конечного продукта. Рассмотрим его подробнее.
Исходное сырье
Современные струны для ракетки должны обладать высокой прочностью на растяжение и большой длиной.Хотя струны делались из кишок овец и ягнят, лучше всего обоим критериям отвечают кишки быков и коров. Без индустрии производства говядины не было бы натуральных струн, поскольку кишки явяются побочным продуктом этой индустрии.
Внешний слой кишок представляет собой серозную оболочку или серозу, которая покрывает мускульный слой. Сероза состоит из волокон белка, который называется коллаген. Серозная оболочка обладает как высокоориентированными, так и неориентированными коллагеновыми волокнами: высокоориентированные волокна обеспечивают высокую прочность на растяжение ( их диаметр приблизительно 4 мкм), а неориентированные дают упругость (диаметр 0.2 мкм). У коллагеновых волокон весьма большая прочность и упругость, позволяющая нижележащему слою мускулов растягиваться, чтобы обеспечить прохождение пищи, в то время предотвращает нижележащие мускулы от пережатия во время их сокращения. Из-за этой сложной роли в процессе переваривания, говяжьи кишки эволюционировали в весьма сложную структуру. Разработанные служить всю жизнь животного, эта структура обязана быть прочной, гибкой и надежной, совсем как теннисная струна премиум класса.
Реальная молекула коллагена представляется собой тройную спираль или три пряди, свитые вместе. Эта тройная спираль непосредственно отвечает за упругость натуральной жилы и ее способности поглощать ударную нагрузку. Огромное количество молекул соединены вместе водородной связью, образуя фибриллы из коллагена, диаметр которых примерно 70-100 нм. Такая укладка молекул образует очень прочный упругий строительный блок. А натуральные связующие объединяют фибриллы в коллагеновые волокна. Учитывая размеры фибрилл,такой коллагеновый материал из серозы обладает достаточно сложной внутренней структурой, которую можно рассматривать как наноструктурный композиционный материал.
В настоящее время натуральные струны изготавливаются из тонких кишок быков и коров, потому, что длина кишок очень большая. Наилучшей породой для этих целей считаются новозеландские коровы.
У каждого из видов животных свойства материала кишок различны. По этой причине, производители требуют выполнения строгих стандартов по селекции, полу и возрасту коров и даже месту их выращивания, что является одной из основ контроля качества.
Начинается все на скотобойне. Грозными врагами натуральных струн явяются бактерии, поэтому там время извлечения и отмывки кишок сводят до минимума.
После поверностной отмывки кишки длиной 49 м разрезают вдоль на приблизительно 40-60 процентов первоначальной длины на две, четыре или шесть «нитей». Группы из самых тонких нитей соединяются в «узлы» ( называемые так, потому что один из концов связки завязан в узел) и укладываются в бочки с солью для консервации.
Химическая обработка
Получив бочки с «узлами» производители струн проверяют кишки, сортируют по длине, удаляя те, у которых много жира. На этой стадии у производителя есть выбор оставить нити «подлечиться» в сухой соли ( перепосол или помещение обратно в бочку каждые два дня) , которые хранятся на холоде, или отмывать нити в рассоле и заморозить их до потребления.
Следующая стадия – это интенсивная отмывка растворимых белков и различных примесей из нитей, после чего остается чистый неповрежденный коллаген. Это последовательным помещением связок нитей в ваннах с различными водными растворами, включая раствор каустической соды, ферментов и смягчающих моющих средств.
Между обработкой в ваннах рабочие отжимают вручную нити для максимального удаления жидкости. В зависимости от производителя, химическая обработка может длиться до 10 дней. Когда она закончена, влажные нити на ощупь шелковистые, а не скользкие.
Химическая обработка также включает в себя любые виды отбеливания и последующей окраски. Как и с волосами, отбеливание ослабляет пряди. Каждый шаг процесса должен быть тщательно настроен и оптимизирован для получения требуемых свойств.
Намотки и сушка
Когда «узлы» нитей отмыты, отсортированы, отбелены, окрашены, проверены на качество, они готовы для изготовления струны. В среднем из одного животного получается от трех до 10 нитей, поэтому для производства одной струны нужно от двух до 4 животных.
Пучок нитей свивается с каждого конца для размещения на измерительном станке. Для теннисных струн начальная длина должна быть 12,8 м, 0,61 м теряются в процессе производства. Критически важно, чтобы все нити в пучке имели одинаковое натяжение для того, чтобы нагрузка на струну распределялась равномерно по всем нитям.
Пучок нитей помещается на крутильный станок, где они свиваются во что-то, уже похожее на струну. Диаметр струны и требуемая упругость зависят от числа витков скрутки.
Струну переносят в помещение с климат-контролем для сушки, где она держится в натянутом состоянии до трех недель. В течение этого времени рабочие могут добавить закрутку. Это важно для конечного продукта.
. На следующей стадии струны помещают в помещение выдержки на срок до двух недель ( нити все еще натянуты) до полного высыхания жилы.
Финишная обработка и нанесение покрытия
Высушенные струны выглядят довольно грубыми и похожи на веревку, а не не готовую струну. Поэтому они проходят через стадию шлифовки для получения гладкой поверхности и однородности по размеру.
Не прошедшая испытаний струна может быть в дальнейшем использована для других, не связанных со спортом целей. Струны, прошедшие окончательную проверку готовы для нанесения покрытия и последущей упаковки.
Для улучшения износа и водостойкости (включая адсорбированную влагу) на струны обычно наносится специальное покрытие из полиуретана. Однако некоторые теннисисты не хотят таких покрытий и предпочитают обходиться без них. В таком случае струны покрывают кокосовым маслом.
Некоторые производители также наносят на струны тонкий слой смазки.
Упаковка
Чтобы еще больше защитить готовые струны от воздействия влаги и увеличить их срок службы, натуральные струны укладывают в герметичную упаковку.
