Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ исследований по проектированию прочности пряжи 15
1.1. Анализ условий разрушения пряжи при ее получении и переработке
1.2. Критерии для оценки способности пряжи противостоять разрушению 23
1.3. Аналитические зависимости для проектирования прочностных характеристик пряжи 26
1.3.1. Теоретические зависимости
1.3.2. Теоретическо - экспериментальные зависимости 32
1.3.3. Экспериментальные зависимости 47
1.3.4. Анализ аналитических зависимостей 61
Выводы по главе 1 65
ГЛАВА 2. Разработка аналитических зависимостей для определения абсолютной разрывной нагрузки пряжи 67
2.1. Постановка задачи
2.2. Метод определения числа контактов между волокнами пряжи 69
2.3. Методика определения сопротивления сжатию на единице длины волокна в пряже 75
2.4. Определение числа разрывающихся, скользящих волокон и длины их скольжения 76
Выводы по главе 2 19
ГЛАВА 3, Применение метода проектирования абсолютной разрывной нагрузки пряжи 80
3.1. Метод и результаты определения числа контактов между волокнами в пряже
3.1.1. Экспериментальное определение геометрических характеристик конфигурации волокон в пряже 81
3.1.2. Определение амплитуды конфигурации волокон, обусловленной скручиванием пряжи 86
3.1.3. Определение шага витка (длины волны крутки) и частоты крутки 88
3.1.4. Определение среднего числа волокон в пряже 89
3.1.5. Определение числа контактов между волокнами в пряже 92
3.2: Исследование влияния различных параметров на число контактов между волокнами пряжи
3.3. Экспериментальное определение напряжения сжатия на единицу длины волокон в пряже 99
3.4. Определение эмпирических коэффициентов формулы проектируемой разрывной нагрузки 103
3.5. Определение числа разрывающихся, скользящих волокон и средней длины скольжения волокон 107
Выводы по главе 3 114
ГЛАВА 4: Разработка технологических мер для повышения прочности пряжи 115
4 Д. Технологические мероприятия для повышения качества полуфабрикатов и пряжи 116
4,1.1. Анализ индекса неровноты продуктов различных стадий обработки
4:1.2. Нормализация технологического процесса 119
4.2. Разработка способа повышения гидрофильности волокон полушерстяной ленты 124
4.2.1. Структурные особенности волокон и механизм их взаимодействия с водой
4.2.2. Влияние увлажнения на деформационные и фрикционные свойства волокон шерсти 129
4.2.3. Свойства оксиалкиленорганосилоксанового блоксополимера и механизм повышения гидрофильности волокон 134
4.2.4. Метод приготовления раствора Пента-483 и нанесение его на волокна полушерстяной ленты 137
4.2.4.1 Синтез абсолютного этилового спирта переэтерификацией олигоэтоксисилоксана
4.2.4.2. Методика расчета количества 1%-го спиртового раствора Пента-483 для обработки ленты 140
4.2.4.3. Методика нанесения 1%-го спиртового раствора Пента-483 и термофиксация Пента-483 на волокнах образцов ленты 141
4.2.5. Исследование кинетики сушки обработанных образцов и обоснование режима обработки ленты для повышения гидрофильности волокон
4.2.6. Расчет минимальной абсолютной разрывной нагрузки пряжи после обработки кремнийорганическим полимером Пента-483 151
4;3. Рекомендации по реализации метода повышения гидрофильности волокон в условиях производства 152
Выводы по главе 4 155
Выводы по работе 156
Список используемой литературы
- Аналитические зависимости для проектирования прочностных характеристик пряжи
- Методика определения сопротивления сжатию на единице длины волокна в пряже
- Определение среднего числа волокон в пряже
- Разработка способа повышения гидрофильности волокон полушерстяной ленты
Введение к работе
Высокое качество изделий при минимальных затратах на их производство зависит от многих факторов - от свойств сырья, совершенства технологии, отдельных видов затрат, квалификации персонала и ряда других.
Свойства изделий во многом определяются свойствами пряжи, у которой одним из основных показателей качества являются прочностные характеристики при ее растяжении. Известен ряд характеристик этого вида деформации [1], но показатели относительной разрывной нагрузки на растяжение и относительного удлинения пряжи имеют особо важное значение, так как их роль при получении пряжи, ее переработке и эксплуатации изделий весьма велика.
При-выработке пряжа испытывает натяжение в зоне формирования на кольцевой прядильной машине. Известно [2], что обусловленное круткой, упрочнение пряжи вдоль зоны ее формирования не является равномерным. Пряжа в наибольшей мере упрочнена в зоне действия бегунка, прочность с-нижается вблизи нитепроводника и уменьшается до нуля в треугольнике кручения. В этой последней зоне крутка практически отсутствует, и хотя размеры треугольника кручения невелики, здесь возможен разрыв пряжи, так как ее прочность обусловлена только силами скольжения волокон, что ведет к повышению вероятности разрыва продукта. Усугубляет положение структурная неравномерность мычки, заключающаяся в том, что в ее отдельных местах сконцентрированы короткие волокна, велика: плотность передних кончиков и при формировании пряжи имеет место утоненный участок. Известно [3];. что основная доля обрывов пряжи происходит по неизвестным (визуально не определяемым) причинам. Можно предполагать, что среди этих причин важную роль играет недостаточные силы трения между волокнами.
Недостаточная прочность пряжи при ее получении ведет к обрывности, возникновению в зоне обрыва;утолщенного участка, к затратам труда прядильщиц, к дополнительным отходам, к снижению производительности прядильного оборудования. Недопустимо большая обрывность пряжи не дает возможности автоматизировать процесс, требует дополнительных средств для обеспечения его нормального протекания.
Выработка пряней малой линейной плотности является одной из главных задач технологии прядения, учитывая дефицит сырьевых ресурсов и растущие потребности в текстильных изделиях. При выработке такой пряжи прочностные характеристики являются главными; В случае пряжи большой линейной плотности колебания абсолютной разрывной: нагрузки и относительного разрывного удлинения играют менее важную роль, чем при выработке пряжи малой линейной плотности.
Получению пряжи повышенной прочности препятствуют следующие факторы:
низкое качество шерсти (доля репейной и сорной шерсти за последние десятилетия резко возросла и составляет около 90 %);
скоростные параметры машин, растут (за последние 30 лет скорости выросли в 2-3 раза);
растут требования к качеству пряжи и связанная с этим конкурентоспособность изделий из нее.
Известно [4], что абсолютная разрывная.нагрузка и относительное разрывное удлинение связаны корреляционными связями с другими, ее свойствами.
При переработке пряжи она испытывает деформации растяжения на разных стадиях технологических процессов ткачества и трикотажного производства. В ткачестве (при перематывании, сновании, шлихтовании, при выработке суровья на ткацком станке) деформация растяжения обусловлена сушеством технологического процесса и часто протекает при наличии других
видов деформации. При перематывании, сновании и шлихтовании имеют место высокие: скорости (сотни метров в минуту), Известно [5], что величина скорости предопределяет величину растягивающей силы, действующей на пряжу, и ведет к усталостным явлениям. Деформация растяжения имеет место как на относительно коротких (мотальные автоматы), так и на относительно длинных (сновальные машины) участках. Нагрузка может прикладываться циклически и сопровождается многократными изгибами пряжи (при воздействии глазков галев ремизок на пряжу на ткацком станке). Надежность пряжи с позиций сохранности ее целостности должна быть очень высокой, так как обрыв одной из тысяч нитей приводит к останову машины. Аналогичные требования предъявляются к уточной нити: В связи с недостаточной прочностью нитей, вводятся специальные операции шлихтования с последующим удалением шлихты при отделке ткани. Большая обрывность основных и уточных нитей ухудшает качество продукции и снижает, производительность труда. Значительная часть рабочего времени ткача затрачивается на ликвидацию обрыва.
В результате данных многих работ по исследованию обрывности нитей в ткачестве установлено, что снижение обрывности в ткачестве в 2-3 раза повышает производительность труда ткача на 60-80%. Все это приводит к дополнительным затратам; трудовых, энергетических и временны'х ресурсов. Обрывность пряжи; в ткачестве ведет к понижению сортности суровья, возникающий дефект относится к категории грубых и недопустимых в готовой ткани:
В трикотажном производстве условия переработки пряжи в части перематывания аналогичны отмеченным выше условиям при ткачестве. При вязании пряжа подвергается кратковременным; изгибу и растяжению на относительно небольших участках (в пределах длины петли). Многие трикотажные машины многосистемны (например, кругловязальные) и это, как и в случае ткачества, требует высокой надежности пряжи. Обрывность пряжи ведет
к дополнительным отходам, понижению сортности полотен и полурегулярных изделий; сопровождается поломами игл, снижению производительности труда и оборудования.
Для нивелирования отрицательных факторов, снижающих прочность пряжи и адекватности уровня этого свойства растущим требованиям к качеству изделий, должны быть разработаны соответствующие методы проектирования ее минимальной прочности и меры технологического обеспечения последней.
Цель, данного исследования - разработка метода проектировании повышенной прочности пряжи и мер ее технологического обеспечения.
Для решения этой задачи выполнено следующее. 1. Проведен анализ (глава 1) состояния исследуемой проблемы, изучению которой посвящены работы Синицына АА, Березиной О .Я/, Фей-мана НИ:, Усенко В.А., Корицкого К.И;, Биренбаума СИ., Комарова В.Г., Позднякова; Б.П;, Гусева В;Е., ВанчиковаАН., Кононенко Т.В1, Соловьева АН., Щербакова В.П., Николаева С.Д-, Разумеева К.Э;, Шустова Ю.С., Stunbury J: R., Mattlies М, Kewokian А Н., Rebenfeld L., Holdaway W. и других исследователей.
Целью анализа являлось обоснование существа дальнейших исследований по изучаемой проблеме.
В результате анализа установлено: пряжа при ее получении и переработке подвергается разрушению в результате воздействия неодинаковых для разных машин механических факторов; - эмпирические зависимости, полученные в ряде исследований, позволяют обосновать прочность пряжи лишь для той технологии, по которой она получена, использование результатов для других вариантов технологии требует доказательства применимости полученных зависимостей;
формулы ряда исследователей содержат поправочные коэффициенты, определение которых требует дополнительных экспериментов; для различных видов полушерстяной и шерстяной пряжи эти данные разработаны недостаточно и не могут быть выбраны с достаточной степенью обоснованности;
ряд методов предусматривает предварительную выработку опытных партий пряжи из каждого компонента предполагаемой смеси; в некоторых математических моделях не учитывается влияние ряда физико-механических показателей волокон (длина, удлинение и прочность, тонина и неровнота по этим свойствам и др.), что приводит к недостаточному отражению их роли в формировании прочности пряжи; целью многих исследований является расчет средней абсолютной разрывной нагрузки, что огрубляет, прогноз будущего поведения пряжи, разрывающейся в слабом месте;
многие авторы предлагают многофакторные эмпирические модели абсолютной разрывной нагрузки, разрывного удлинения и обрывности в прядении шерстяной гребенной пряжи в зависимости от характеристик шерсти и параметров технологического процесса;
в настоящее время методы проектирования, свойств пряжи, в частности абсолютной; и относительной разрывной нагрузки гребенной пряжи=раз-работаны недостаточно, при этом фрикционная природа взаимодействия волокон учитывается недостаточно;
в качестве проектируемой характеристики,прочности целесообразно использовать показатель абсолютной разрывной нагрузки, соответствующей допустимо малой (например, в 0,05) вероятности этой величины; технологические меры обеспечения прочности направлены главным образом на оптимизацию составов сырья, сохранности длины волокна и оптимизацию величины крутки. Из этих результатов следуют задачи исследования.
Необходимо:
а) разработать теоретические зависимости для проектирования абсолют
ной разрывной нагрузки пряжи с учетом фрикционной природы взаимодейст
вия волокон в пряже при ее разрушении.
б) выполнить экспериментальные и расчетные работы для прогнозирова
ния прочности пряжи.
в) разработать технологические меры с целью повышения прочности
пряжи на основе целенаправленного совершенствования процесса ее получе
ния.
2, Разработаны теоретические модели для определения абсолютной разрывной нагрузки пряжи (2-я глава).
Использованы методы и результаты исследований по теории выбросов случайных функций; трибологии волокон, их контактирования, текстильному материаловедению, теории вероятностей и математической статистике.
В результате этого этапа исследования:
получена аналитическая зависимость для определения абсолютной разрывной нагрузки пряжи, учитывающая фрикционную составляющую процесса разрыва;
разработана теоретическая база метода определения числа фрикционных контактов между волокнами;
предложены аналитические зависимости для оценки сопротивления сжатию единицы длины волокна в пряже, числа скользящих и рвущихся волокон, средней длины скольжения волокон при ее разрыве.
Из этих результатов следует необходимость определения параметров, использование которых в полученных моделях позволяет прогнозировать абсолютную разрывную нагрузку пряжи.
К ним относятся:
а) число контактов на единицу длины волокна в пряже, для определения которых необходимо знание:
среднего квадратического отклонения проекции конфигурации волокна;
среднего квадратического отклонения производной проекции конфигурации волокна;
коэффициента распрямленности волокна;
диаметра и крутки пряжи.
б) сопротивление сжатию единицы длины волокна в пряже, для опре
деления которого необходимо знание зависимости напряжения поперечного-
сжатия пряжи от ее плотности;
в) число обрывающихся, скользящих волокон и средней длины их
скольжения, для чего необходимо знать распределения волокон по длине в
пряже до разрыва и после ее разрушения в зоне разрыва.
Идентификация факторов, определяющих прочность пряжи, обосновывает целесообразность увеличения коэффициента трения и удельного сцепления волокон, а также снижения неровноты по толщине пряжи, что достигается технологическими мерами.
3. Выполнены экспериментальные и расчетные работы с целью оценки параметров, указанных выше, осуществлен расчет абсолютной разрывной нагрузки и сопоставлены расчетные и фактические значения ее величины (глава 3);
Использованные методы:
- оптический метод определения характеристик конфигурации волокна (усо-
вершенствован);
расчетный метод определения характеристик конфигурации волокна (среднего квадратического отклонения проекции конфигурации волокна, среднего квадратического отклонения производной проекции конфигурации волокна);
оптический метод определения диаметра пряжи;
расчетный метод определения числа контактов в пряже между волокнами (разработан впервые);
метод определения напряжения сжатия пряжи (разработан впервые);
методы определения : абсолютной разрывной нагрузки, линейной плотности волокон и пряжи, крутки пряжи (стандартные).
Объектом исследования была пряжа гребенного прядения 22 текс, состава: шерсть тонкая - 70 %, лавсановое волокон - 30%. Установлено:
- изменени е характеристик конфигурации волокна при различной степени
поперечного сжатия продукта;
- влияние статических характеристик конфигурации волокна, амплитуды,
частоты и длины волны витка, зависимых от крутки, а также диаметра пряжи и числа волокон в сечении на число контактов между волокнами;
- зависимость напряжения сжатия пряжи от ее объемной плотности;
-распределения волокон по длине в пряже до и после разрыва.
В результате исследования обоснованы количественно все параметры, необходимые для расчета минимальной абсолютной разрывной нагрузки, проведен ее расчет и составление с фактическим значением. Проектируемая минимальная абсолютная разрывная нагрузка пряжи составляет 100,5 сН, что по полученному распределению разрывной нагрузки соответствует вероятности 0,04 показывая, экспериментальная разрывная нагрузка с вероятностью 0,994 превысит расчетную величину.
Эти результаты подтверждают возможность применения разработанного метода для проектирования абсолютной разрывной нагрузки пряжи.
Все расчетные работы выполнены с использованием ПЭВМ и * стандартных и вновь разработанных на кафедре технологии шерсти МГТУ им. А.Н. Косыгина программ.
4. Разработаны технологические меры для повышения абсолютной разрывной нагрузки пряжи (глава 4). Использованы методы:
- нормализации технологического процесса гребенного прядения шерсти и
химических волокон;
- химический метод повышения гидрофилъности волокон (разработан впер
вые).
Первый из этих методов направлен на снижение неровноты пряжи по толщине, второй - на изменение фрикционных характеристик волокон пряжи.
На этапе нормализации технологического процесса подтверждены:
целесообразность использования трех переходов ленточных машин до 1-го гребнечесания и двух переходов ленточных машин после штапелирования жгутовых химических волокон;
целесообразность запаривания ровницы:вместо технологического вылежи-
вания;
- эффективность нормализации процессов прядильного производства и возможность снижения неровноты полуфабрикатов и пряжи по толщине. На этапе разработки химического способа повышения гидрофилъности
волокон, как метода повышения сил трения между волокнами в пряже:
обоснован выбор химического метода повышения гидрофилъности волокон;
выбран оксиалкиленорганосилоксановый блоксополимер для обработки волокон смеси (шерсть -70 %, лавсановое волокно -30%);
- исследована кинетика сушки обработанных и необработанных образцов1
смеси волокон в зависимости от температуры, времени сушки, концентра
ции и количества препарата, наносимого на волокна;
- определены; коэффициенты трения волокон при разл ичных технологиях их
обработки.
Полученные результатьгпозволяют:
повысить гидрофильностъ волокон путем использования разработанного рецепта и режима их обработки;
рекомендовать следующий рецепт раствор кремнейорганической жидкости Пента -483 в количестве 10 весовых процентов, режим: нанесение раствора, вылеживание в течение суток с целью пропитки волокон веще-
ством; термофиксация в сушильном шкафу при температуре 110 С в течение 10 мин; что обеспечивает увеличение абсолютной разрывной нагрузки пряжи в результате применения разработанного метода на 29,4 процентов; - рекомендовать к апробации на существующей технологии и оборудовании разработанный способ повышения гидрофильности, фрикционных свойств волокон и абсолютной разрывной нагрузки пряжи.
* ф *
Автор особую благодарность выражает д.т.н., проф. В.А. Протасовой и д.т.н., проф. АФ. Капитанову за неоценимую помощь в работе над диссертацией.
Теоретические и расчетные работы выполнены в лабораториях кафедр технологии шерсти; аналитической, физической и коллоидной химии; технологии химических волокон. Автор признателен их руководителям к.т.н., доц. Б.Е. Белышеву, К.Х.Н., проф. Б.А. Измайлову, к.х.н., проф. Л.С. Гальбрайху и сотрудникам кафедр за оказанное содействие.
Автор выражает благодарность д.т.н., проф. С.Д. Николаеву за оказанное внимание и поддержку.
Аналитические зависимости для проектирования прочностных характеристик пряжи
В исследовании [10] прочность нити рассматривалась как сумма прочности, обусловленной трением скользящих волокон и разрывной прочности нити: Р =р +р =т.р н р с о в v А-/ (1) где Рн - относительная разрывная нагрузка нити, сН/текс; Рр - прочность разрывающихся волокон, сН/текс; Pc - разрывная нагрузка, обусловленная трением скользящих волокон сН/текс; т0 - число волокон в поперечном сечении пряжи; L - длина волокна, мм; рв - относительная разрывная нагрузка волокна, сН/текс; f- сила трения на единицу длины волокна, сН/мм. Автор предложил следующую формулу для расчета относительной разрывной нагрузки однородной пряжи: 0,18-10 р вуГто-то ]кф (2) Рн=рвт0 1 т=Ц—=—— ДЬЕнє1Л/7вУмв8Ш р где то - число волокон в поперечном сечении пряжи (то - то ]- число волокон во внутренних слоях пряжи; т0 - число волокон в периферийном слое пряжи; NB - номер волокна ; у - удельный вес волокна, г/мм3; Кф - коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения пряжи; Ец - начальный модуль упругости; Єї - относительное удлинение волокна при крутке нити, %; д. - коэффициент трения волокна; L - длина волокна, мм; Р - угол наклона волокна наружного слоя к оси нити. Выражение рв NB уЮ 3 - разрывное напряжение в кг/мм2.
В этой формуле автором учтено влияние числа волокон в поперечном сечении пряжи, характеристик,конфигурации волокна, а также качественных показателей волокон на разрывную нагрузку пряжи. Из формулы видно, что при уменьшении числа волокон в сечении (тонкие места) прочность пряжи
Примечание. Здесь и далее используется терминология критериев и обозначения, принятые в формулах авторами анализируемых источников. снижается. Существенным недостатком зависимости является необходимость учета большого числа параметров, определение которых затруднительно (число волокон во внутренних слоях пряжи; коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения пряжи; угол наклона волокна наружного слоя к оси нити), что ограничивает ее применение на практике.
В соответствии с ф. (2) получено уравнение зависимости коэффициента использования прочности волокна в пряже идеальной структуры от ее крутки и свойств волокон кь_! Рв Ъ соф (3) где р - угол наклона волокон периферийного слоя к оси нити. Для определения относительной разрывной нагрузки пряжи предложен метод [11], по которому необходимо учитывать разницу в удлинениях отдельных компонентов, при этом Р . = РО1Х/100 + (100-Х)Ру, Ровс=РО2(Ю0-Х)/100, (4) Хв =(Рог-Ру)100/(Рш + РО1);Ру -P-N,. где РОАВ - относительная разрывная нагрузка смешанной пряжи І при содержании коэффициента с меньшим удлинением от Х=100 % до Х Хв; Ровс - относительная разрывная нагрузка смешанной пряжи при Х Хв;
X - содержание компонента с меньшим удлинением; %; РьРг-относительная разрывная нагрузка пряжи из различных компонентов; Хв - содержание компонента с меньшим удлинением при РОАВ= Ровс, %; Р - разры вная нагрузка, которую воспринимает пряжа из компонента с большим удлинением при растяжении. Недостатком данного метода расчета является необходимость выработки опытных образцов пряжи из каждого компонента, определения разрывных характеристик пряжи, и записи кривых разрывной нагрузки и удлинения. Использование формулы (4) [11] показало, что 80 % всех расчетных данных имеют отклонения от соответствующих опытных данных не более 8%, кроме показателя относительной прочности пряжи, содержащей 20 и 40% штапельного волокна, отклонения относительной прочности при этом достигают 10-16 % [12].
При исследовании разрывной нагрузки пряжи [13]-автор считал, что разрывная нагрузка пряжи зависит только от сил сцепления и трения, развивающихся при скольжении волокон в процессе растяжения пряжи. При этом исследователи рассматривали пряжу как продукт идеального строения: - волокна в пряже расположены концентрическими слоями по винто вым линиям на цилиндрических поверхностях с постоянным шагом подъема; - волокна абсолютно распрямлены и параллелизованы.
Автор отмечал, что сопротивление волокон скручиванию прямо пропорционально кубу их диаметра, поэтому для получения пряжи одинакового номера и прочности из более грубых волокон нужно дать ей:большую крутку, чем при использовании тонких волокон..
Предложена формула для расчета разрывной нагрузки пряжи: P = JL = R е d (5) где К - сила, действующая вдоль оси волокна, сН; Р - угол наклона волокон к оси пряжи; Ro- сила начального трения (сцепления) волокон, сН; d - диаметр пряжи, мм; 1в - длина волокон пряжи, мм; р. - коэффициент трения волокон.
В формуле рассматривается влияние крутки до ее критического значения и волокон только наружного слоя пряжи, влияние такой значимой характеристики как разрывная нагрузка волокон не рассматривается, в основу проектирования прочности заложена зависимость, полученная Эйлером для определения натяжения нити при ее скольжении по поверхности цилиндра зо T2=Tt.e s (б) где Ті - натяжение ведомой ветви нити; Тг - натяжение ведущей ветви нити; ц - коэффициент трения нити о поверхность цилиндра; 0 - угол охвата нитью цилиндра.
В работе [14] указывается влияние на разрывную нагрузку пряжи боковых давлений внутри структуры, связанных с фрикционным взаимодействием волокон. При исследовании автор допускал, что волокна пряжи располагаются по концентричным слоям, при этом все витки имеют высоту, зависящую от крутки пряжи, а направление их расположения в любом участке пряжи параллельно касательной наклона витка, пересекающего центр поперечного сечения пряжи. Считается, что отклонения волокон от этого направления случайны и их среднее значение равно нулю.
Методика определения сопротивления сжатию на единице длины волокна в пряже
Известно [50], что между объемной плотностью продукта и напряжением его поперечного сжатия существует зависимость тп = туп, (72) где у - объемная плотность пряжи, мг/мм3, m, п - эмпирические коэффициенты. Эта зависимость должна быть обоснована экспериментально. Объемную плотность пряжи (одиночной нити) определяли по формуле 4Тп У = -тт (73) 7idn где Тп - линейная плотность пряжи, в ктекс; dn - диаметр пряжи, мм.
Линейную плотность пряжи можно определить стандартным методом, а диаметр - под микроскопом. Подставляя значение у и значения параметров тип, которые находим экспериментальным путем (см. гл.З) в ф. (72), получаем значение напряжение поперечного сжатия волокон пряжи, приходящегося на единицу ее длины. На единицу длины одного волокна пряжи приходится усилие — Г (74) где Тв - линейная плотность волокна. Таким образом, для определения величины св необходимо знание зависимости, представленной формулой (72).
Определение числа разрывающихся, скользящих волокон и длины их скольжения
Число обрывающихся и скользящих волокон пряжи определяются путем анализа волокон на длину в пряже до разрыва и анализом волокон на длину двух участков образца разорванной пряжи на отрезках 0,,5-1 от места разрыва (Іщах - максимальная длина волокон в пряже) [52]. Сопоставление распределений дает возможность определить числа волокон разных длин, которые разорвались при растяжении пряжи пр(Ц) (рис.14).
Целью данного этапа исследования является расчет проектируемой (минимальной ожидаемой) абсолютной разрывной нагрузки пряжи.
Метод расчета основан на: теоретических положениях, изложенных в главе 2. Он предусматривает определение экспериментальными и расчетными способами ряда параметров, которые либо непосредственно входят в качестве факторов в ф. (60) (гл.2), либо служат для их расчета.
Экспериментально-расчетный метод предусматривает выработку опытной партии пряжи и оценку ряда характеристик на полученных образцах с целью прогноза абсолютной разрывной нагрузки для последующих партий пряжи.
Объектом исследования на данном и последующих этапах была гребенная пряжа, линейной плотностью 22 текс (шерсть мериносовая, союзная, 64 - 70 , I длины, репейная- 4„2 %; шерсть мериносовая, союзная, 64:,.1 длины, нормальная - 20,3 %; шерсть мериносовая, союзная, 64к, II длины, сорно-пожелтевшая -25,2 %; шерсть мериносовая, союзная; 64к, I длины, сорная - 20,3 %; лавсановое волокно, длина резки 88 мм, Т=0,33 текс - 30 %), выработанная по технологии ОАО "Павлово-Посадский камвольщик".
Как отмечалось в главе 2, для определения числа контактов между волокнами в пряже необходимо определение следующих параметров: среднего квадратического отклонения конфигурации волокон; среднего квадратиче-ского отклонения производной конфигурации волокон; частоты крутки и амплитуды конфигурации, обусловленных скручиванием;.шага витка крутки; числа волокон в сечении пряжи.
Среднее квадратическое; отклонение конфигурации волокна и среднее квадратическое отклонение производной конфигурации (с и а{) находили оптическим методом [53]. Сущность метода состоит в определении длины и углов ориентации; отрезков конфигурации и воссоздании последней путем случайной комбинации этих отрезков на ЭВМ.
Используемые приборы: микроскоп МБР с микрометрической насадкой МОВ-1-15 с общим увеличением 69 . За основу определения характеристик конфигурации волокон взята методика, изложенная в [53], но со следующим отличием: приспособление для определения конфигурации представляет собой пустотелую стеклянную трубку с внутренним диаметром 13 мм. Круглая трубка обеспечивалавсестороннее сжатие продукта, что имитирует сжатие совокупности волокон при кручении. Объект исследования - ровничная нить, испытания проводились при различном числе ровничных нитей в трубке (16, 20, 24, 28 и 32 нити), чем достигалось изменение плотности образца. Линейная плотность сученой ровницы Т=385 текс, состав был указан выше. Исследование конфигурации волокон с разной степенью плотности продукта необходимо с целью последующего использования1 зависимости характеристик конфигурации от коэффициента заполнения при определении соответствующий характеристики для конфигурации волокна в пряже: Число измерений І в каждом варианте равнялось 100. Первичными результатами измерений явились координаты начала (хі, yi) и конца (хг, уз) участка волокна, а также условный знак угла наклона отрезка к оси продукта (рис: 15). Є целью нахождения характеристик элементарных отрезков волокна (АС, ВС, длины отрезка АВ, угла его наклона к оси продукта а) первичные результаты обсчитывали с помощью редактора EXCEL [54]
Определение среднего числа волокон в пряже
Поперечник волокон смешанной пряжи определяли оптическим методом [57]. Волокна пряжи помещались между двумя предметными стеклами под объектив микроскопа МБР с микрометрической насадкой МОВ-Г-15; общее увеличение 120х, точность измерений 0,001 мм. Для определения среднего поперечника было выполнено 140 измерений.
В таблице 14 приведено распределение результатов испытаний; на рис.20 эти данные иллюстрируются гистограммой, результаты расчета статистических характеристик приведен в таблице 15.
Средний удельный вес волокна определяли в соответствии с процентным вложением лавсанового (30 %) и шерстяного (70 %) волокон в пряжу.
Средний удельный вес волокна полушерстяной пряжи ув равен 1,31 0,7+1,38-0,3=1,331 г/см (1,31 г/см - средний удельный вес шерстяного волокна [1]; 1,38 г/см3 - средний удельный вес лавсанового волокна [1]).
Подставляя в формулу (88) значения приведенных величин, определяем средневзвешенную линейную плотность волокон смеси Тв= 0,379 текс.
Среднее число волокон в поперечном сечении пряжи (ф. 87) равно 60.
С использованием данных, полученных в п.п. 3.1.1- 3.1.4. по программе ), основанной на формулах (61 -64, 69-71), был проведен расчет числа контактов между волокнами на V мм их длины.
При найденных по полученным выше зависимостям значениях среднего квадратического отклонения конфигурации и среднего квадратического отклонения производной конфигурации элементарных отрезков волокон пряжи - с=0,050 мм и c?i= 0,029, шаге витка Х=\,58 мм, частоте крутки оэ5=3,98 мм _I, амплитуде крутки Ат= 0,0603 мм, числе волокон в поперечном сечении пряжи г= 60 среднее число контактов на 1мм длины волокна составляет 2,26 контакта.
Как следует из ф.(61) на число контактов между волокнами пряжи влияют ряд параметров, обусловленных конфигурацией волокон, круткой пряжи и числом волокон в поперечном сечении;
Целью данного этапа работы было: а) выявить направленность влияния каждого из параметров на число контактов между волокнами пряжи и, следовательно, на прочность пряжи; б) оценить относительную значимость каждого из параметров на число контактов.
Для этих целей применялся метод компьютерного моделирования. Изучалось влияние на число контактов mk следующих параметров: среднего квадратического отклонения конфигурации волокна (с), среднего квадратического отклонения производной конфигурации волокна (сті),
Примечание. Программа разработана инж. Медведевым Е.О. (кафедра технологии шерсти МГТУ им. А.Н. Косыгина) крутки пряжи (шаг витков крутки (X), частота крутки (cos)), амплитуда крутки (Am), числа волокон в пряже (г). Отметим, что параметры X и ео3 зависимы от величины крутки. Базовые величины параметров принимались.из следующих соображений: - сг, о-! — на основе экспериментальных данных (см п.З.1Л.); - X, cos - по величине крутки пряжи; л d - Am = — - по среднему диаметру пряжи; - г - по среднему числу волокон в пряже.
Диапазон варьирования был установлен в пределах ±10 % от средних значений. В каждом эксперименте варьированию подвергался только один параметр при остальных неизменных, фиксированных на средних уровнях.
в) в пределах варьирования изученных факторов наибольшее влияние на число контактов оказывают (в порядке убывания): среднее квадратическое отклонение производной конфигурации волокна, шаг витков крутки прялш, среднее квадратическое отклонение конфигурации волокна, число волокон в поперечном сечении пряжи.
Проверка гипотезы об адекватности моделей проводилась по критерию Eischera [56].
Для моделей (89, 90); полученное FpaC4 1, поэтому определяли обратные значения отношения дисперсий адекватности и воспроизводимости и сравнивали их с табличным, которое для моделей равно Ртабл(Рд=0,95, ВДос2}=4, f{SaA=2)=19,25, так как для ф.(89)FpaCT=l;3 F , и для ф.(90) Ррасч=3,73 їїтабл, то гипотеза об адекватности моделей не отвергается;
Для моделей (91, 92) F (Рд= 0,95, f {SBOC2}-5, f{Sw2}-3)-9,01, для модели (91) Fpac4=3,6S F to, и для модели (92) Fpac4=3,53 Ртабл, то гипотеза об адекватности моделей не отвергается.
Для моделей (93, 94) полученное Fpac4 1, поэтому определяли;обратные значения отношения дисперсий адекватности и воспроизводимости и сравнивали их с табличным, которое для моделей равно Ртабл(Рд=0,95, f{SBoc2}=4, f{Sw2}=2)-19,25, так как для ф.(93) FpaC4-9,71 F , для ф.(94) Fpac4=6:05 F-габл, то гипотеза об адекватности моделей не отвергается.
Характер полученных зависимостей можно о бъяснить следующим образом. Среднее квадратическое отклонение и амплитуда предопределлют разброс ординат конфигурации. Чем этот разброс больше, тем больше число контактов.
Разработка способа повышения гидрофильности волокон полушерстяной ленты
Волокна шерсти имеют внешний защитный чешуйчатый слой, состоящий из эндокутикулы, экзокутикулы и эпикутикулы, и отличающийся повышенным содержанием серы и гидрофобностьга; корковый слой, состоящий из ортокор-текса и менее химически активного паракортекса и отличающийся гидрофильно-стью; серцевинный слой, представляющий собой слой пористых клеток с боль шим количеством воздушных полостей, отсутствующий у пуховых волокон, а у переходных носящий прерывистую структуру.
Структура основного коркового слоя характеризуется следующими структурными единицами: веретенообразные клетки, макрофибриллы, микрофибриллы, протофибриллы и макромолекулы. Пустоты между микрофибриллами заполнены матриксом, соединяющим совокупность фибрилл и клеток в единое целое.
Кератин составляет около 90% всей массы шерстяного волокна и представляет собой неоднородную структуру, содержащую наряду с более "кристаллическими" формами (кристаллитами) и промежуточные "аморфные" части.
Главной составной частью белков являются аминокислоты, содержащие наряду с аминогруппой NH2, характеризующей, органические основания и карбоксильно юСООН, характеризующей органические кислоты также и метильную группу СН с присоединенным к ней радикалом R определенного для каждой аминокислоты состава:
Структурные особенности каждой аминокислоты определяются природой радикала R, состоящего из группы атомов, заканчивающейся в свою очередь основной амино- или кислотной карбоксильной группой. Таким образом, молекула аминокислоты обладает аморфными свойствами:
Главные полипептидные цепи кератина ориентированы вдоль оси волокна и соединены- между собой большим количеством поперечных связей,, на долю которых приходится примерно 45% всего кератина.
Поперечные связи могут быть трех видов: цистинные, солевые и водородные. Кроме того, между молекулами действуют также силы Ван-дер-Ваальса. Наиболее прочные из указанных связей цистинные, содержащие большое количество серы; эти связи не способны гидратироваться, т.е. присоединять молекулы воды; они прочно соединяют полипептидные цепи. Солевые связи, образованные за счет взаимодействия аминокислотных остатков соседних цепей, содержащих свободные амино - и карбоксильные группы, располагаются рядом с цистинными связями. Они в отличие от цистинных хорошо гидротируются [66]. Благодаря наличию солеподобных боковых связей: молекулярная структура продольных цепей кератина имеет вид "лестниц", соединенных между собой.
В исходном волокне (до механической обработки) макромолекула кератина шерсти находится в равновесном состоянии - а-модификация. В этом случае макромолекулы кератина и их комплексы обладают максимальными потенциальным удлинением и прочностью. Если же волокно шерсти подвергнуть деформации (например, растяжению), то постепенно с увеличением растяжения полипептидные цепи кератина распрямляются и при достаточно большем растяжении структура кератина переходит в неравновесное, упругонапряженное состояние - Р-модификация. Состояние р -модификации является неустойчивым: макромолекула кератина шерсти стремится перейти в устойчивое состояние а — модификации [69],
Сетчатая и складчатая структура кератина, обеспечивая шерсти высокие упругие свойства, вместе с тем обуславливает устойчивость его макромолеку-лярных цепей, что создает потенциальный, или энергетический барьер, являющийся функцией качественных и количественных характеристик кератина, характеризующий сопротивляемость структуры, кератина действию приложенных к ней деформирующих сил и определяющий степень ее устойчивости при различных деформациях.
Высокий потенциальный барьер понижает способность кератина к деформации при интенсивной механической обработке, в результате чего возникают значительные напряжения макромолекулярных цепей, ведущих к разрыву основных связей в отдельных звеньях, что связано с увеличением пластической деформации и даже разрывом волокон.
Лавсан (полиэтилентерефталат) представляет собой высокомолекулярное соединение, звенья макромолекул которого связаны между собой сложноэфир-ными группами:
В элементарном звене имеется также незначительное количество карбоксильных групп СООН и гидроксилсодержащих остатков.
Лавсан - волокно с ультрамикропористой структурой. Характерной особенностью лавсановых волокон является низкая способность сорбировать воду, поэтому они применяются в смеси с другими волокнами (в частности с шерстяными), обладающими хорошей сорбционной способностью.
Понижение потенциальногобарьера достигается путем гидратации и соль-вации [59]. Текстильные волокна способны поглощать влагу и удерживать или вновь отдавать ее. Под термином "поглощение" понимают: сорбцию, диффузию и механический захват жидкости.
При сорбции водяного пара происходит адсорбция - поглощение поверхностью волокон вследствие межмолекулярного взаимодействия воды и поглощающего материала. Диффузный процесс - абсорбция - проникновение молекул сорбата в межмолекулярные пространства сорбента. Механический захват происходит при погружении волокон в воду, причем количество захваченной воды может значительно (в,3 раза) превышать массу материала.
Вода в биополимерах имеет три различные структуры; 1) гидратная, связанная вода, входящая в первый гидратационный слой (относительная влажность 50 %), имеет менее сильные водородные связи, чем "чистая" вода; 2) псевдожидкая несвязанная вода, формирующая второй гидратационный слой (относительная влажность 50 - 98 %), ее структура подобна разупорядоченной жидкой воде; 3) объемная свободная вода, имеющая обычную структуру [70];
Гидрофильные волокна отличаются от гидрофобных наличием в макромолекулах групп —ОН,—GONH,—NH2, способных связывать молекулы воды. В полиэфирных и других гидрофобных волокнах подобные химические группы отсутствуют.
