Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор волокнистых армирующих структур - основовязаных трикотажных и нитепрошивных в качестве основы композитных материалов 16
2. Совершенствование технологии переработки засоренных волокнистых смесок в пневмомеханическую пряжу 71
3. Разработка технологии эффективного вязания лубяных волокон при изготовлении полотен тамбурным способом для композитных материалов 120
4. Характеристики волокнистых армирующих струк тур (наполнителей) на основе пряжи и нитей 150
5. Разработка и анализ технологических решений при проектировании армирующих текстильных структур с использованием метода конечных элементов . 189
6. Исследование функциональных свойств (комфортности) многослойной конструкции обивки автомобильного сидения с оптимальными физиологическими параметрами 216
7. Разработка технологии производства основовязаных полотен для геокомпозитов 250
Общие выводы и рекомендации 286
Библиографический список 289
Приложения 320
- Аналитический обзор волокнистых армирующих структур - основовязаных трикотажных и нитепрошивных в качестве основы композитных материалов
- Совершенствование технологии переработки засоренных волокнистых смесок в пневмомеханическую пряжу
- Разработка технологии эффективного вязания лубяных волокон при изготовлении полотен тамбурным способом для композитных материалов
- Характеристики волокнистых армирующих струк тур (наполнителей) на основе пряжи и нитей
Введение к работе
Актуальность работы. Работа посвящена исследованию текстильных армирующих структур для композитных материалов, принадлежащих к техническому текстилю. Эксперты относят отрасль технического текстиля к пяти наиболее высокотехнологичным секторам мировой индустрии с серьезным потенциалом развития.
В условиях мирового кризиса производство и применение инновационных композитных материалов имеет высокую значимость для технологического прорыва во многих отраслях, что наглядно подтверждается включением полимерных композиционных материалов в перечень критических технологий, значимых для обороны страны и безопасности государства.
Сырьевой состав и структура армирующих текстильных каркасов играют определяющую роль в производстве композитов. Среди распространенных армирующих волокон – стеклянных, углеродных, арамидных, базальтовых – волокна растительного происхождения занимают пока скромное место, однако в последние годы международный научный интерес сфокусирован на этой теме – «green composite». Перспектива частичного замещения синтетических волокон натуральными (грубыми) волокнами с вложением отходов связана с экономическими преимуществами и растущими экологическими требованиями.
Отличительной особенностью работы стало использование трикотажных (вязаных) полотен, имеющих неограниченные возможности структурообразования и применения различных видов сырья в качестве основы для композиционных материалов, обеспечивающее повышение их адгезионной способности, растяжимости и формуемости. Вследствие высокой податливости трикотажных полотен появилась возможность получать детали и изделия с малыми радиусами кривизны. Трикотажные полотна имеют важные преимущества при изготовлении деталей и изделий с расположением наполнителя в виде вязаных объемных форм с различной плотностью вязания.
Получение трикотажного полотна технического назначения изнаночным производным переплетением тамбурного способа петлеобразования из нестабильной по свойствам пряжи стало возможным благодаря использованию нитеводительных трубок на пока малоизученной, но перспективной по технологическим возможностям и универсальности основовязальной трикотажной машине ОВ-160.
Цель работы состоит в разработке и научном обосновании пригодности натуральных волокон на основе первичных и вторичных материалов изо льна при создании специальных (нетрадиционных) армирующих каркасов из трикотажа для композитных материалов.
Для достижения цели работы решены следующие задачи:
-
Обоснован выбор объектов исследований: сырьевого состава; структуры армирующего каркаса; целесообразного ассортимента композитов.
-
Оценена возможность наработки трикотажного полотна из нестабильной по свойствам пряжи, и рекомендовано подходящее для этой цели оборудование.
-
Выявлен перечень определяющих свойств армирующих структур композитных материалов предлагаемых назначений.
-
Получена возможность прогнозирования механических свойств армирующего трикотажного каркаса.
-
Спроектированы структуры трикотажного полотна и разработаны технологические параметры заправки для их получения.
-
Получены и исследованы образцы трикотажных полотен тамбурного способа петлеобразования на машине ОВ-160 (Россия).
-
Сделаны выводы и обобщения.
-
Показаны пути использования результатов диссертационной работы в промышленности, науке и перспективные направления дальнейших исследований.
Основные методы исследования. В диссертационной работе использован комплекс теоретических и экспериментальных исследований. В теоретическом анализе применялись дифференциальное, интегральное и вариационное исчисления, теория рядов, а также численные методы решения дифференциальных уравнений, компьютерное имитационное моделирование и анализ динамических моделей, метод конечных элементов, средства инженерных и научных расчетов. Постановка и проведение экспериментальных исследований осуществлялись на базе математических методов планирования эксперимента, при обработке их результатов использовались методы математической статистики. Расчеты проводились на ПК с использованием пакетов статистических прикладных программ. В инструментальной базе использовались стандартные приборы, испытательный комплекс фирмы Zellweger Uster, методика испытаний соответствовала действующим стандартам. Исследования проводились на действующем оборудовании в производственных условиях.
Научная новизна заключается в научном обосновании использования новых методик проектирования текстильных армирующих основ композитных материалов, создания новых и усовершенствования существующих технологий их производства из текстильных лубосодержащих отходов, что позволяет достичь максимально возможного качества продукта при экономии исходного сырья.
Впервые получены следующие основные научные результаты:
-
-
Теоретически и технологически обоснованы, а также разработаны новые способы получения текстильных армирующих основ композитных материалов из основовязаного трикотажа с заранее заданными механическими свойствами.
-
Предложены и теоретически проработаны методики расчета и моделирования основных свойств трикотажных армирующих каркасов композитных материалов: прочности, растяжимости, воздухопроницаемости, теплопроводности.
-
Разработана динамическая модель механической нагрузки структурного элемента трикотажа на основе его шарнирно-стержневого эквивалента.
-
Разработана конструкция прибора для определения многоосных деформаций и прочности полотен ткани, трикотажа, нетканых материалов при полуцикловых (разрушающих) и многоцикловых нагрузках.
-
Дан теоретический анализ особенностей формирования пневмомеханической пряжи из грубого засоренного сырья, выявлены причины образования периодической неровноты пряжи и разработаны мероприятия по ее устранению.
-
Технологически обосновано применение основовязальных трикотажных машин с трубчатыми петлеобразующими элементами для получения полотен из жесткой льносодержащей пряжи. Предложена методика расчета натяжения нити на всех этапах технологии формирования петли тамбурным способом.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований:
-
Предложены защищенные патентами РФ конструкция прибора для определения многоосных деформаций и прочности полотен ткани, трикотажа, нетканых материалов при полуцикловых (разрушающих) и многоцикловых нагрузках; промышленный образец трикотажного полотна с зональным уплотнением; программный продукт для расчета механических характеристик трикотажа.
-
Предложены методики расчета и моделирования основных свойств трикотажных армирующих основ композитных материалов: прочности, растяжимости, воздухопроницаемости, теплопроводности, а также натяжения нити на всех этапах технологии формирования петли тамбурным способом.
-
Определены оптимальные режимы работы пневмомеханической прядильной машины при использовании полуфабриката из грубых засоренных волокон.
-
Разработаны структуры полотен и заправочные параметры тамбурной основовязальной машины ОВ-160 при производстве армирующих основ для композиционных материалов.
-
Разработан экономически, эргономически и экологически перспективный ассортимент трикотажных полотен технического назначения.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы получили подтверждение в производствах НП «Шуйская машиностроительная компания», ОАО «Яковлевский льнокомбинат», ООО «Искож», ОАО «Точприбор», ООО ИПФ «ТексИнж», OOO «Наукоемкие технологии», в учебном процессе кафедр МТТМ и ПМИТ ИГТА.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку:
на международных симпозиумах «CORTEP-1992» (Яссы, Румыния), «STRUTEX-1997» (Либерец, Чехия), «CORTEP-1997» (Яссы, Румыния), «Present and Perspective in Textile Engineering-2005» (Бухарест, Румыния), «Interactive Textile – Research and Development Platform for Convergent Engineering-2006» (Бухарест, Румыния), «CORTEP-2007» (Яссы, Румыния);
международных научно-технических конференциях «Прогресс-95», «Прогресс-96», «Прогресс-97», «Текстильная химия-2000», «Прогресс-2008», «Прогресс-2010» «ПОИСК-2008, 2009, 2010» (Иваново); «Интеллектуальный потенциал – источник возрождения текстильной промышленности» (Шахты), «Новые технологии в одежде из тканей и трикотажа – МГУС-2001», «Текстиль-2009» (Москва), «Лен-2010» (Кострома);
на расширенных заседаниях кафедр инженерной графики ИГТА и научно-технического семинара по проблемам повышения эффективности технологических процессов в текстильной и легкой промышленности; механической технологии волокнистых материалов СПГУТД; прядения КГТУ.
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в следующих публикациях: 101 печатной работе, в т. ч. в 1 учебнике и 2 учебных пособиях, 13 статьях журналов из перечня изданий, рекомендованных ВАК, «Известия вузов. Технология текстильной промышленности» (12 статей), «Industria Textil» (1 статья), в 5 публикациях зарубежных рецензируемых изданий (ISI), 3 патентах РФ на изобретение, полезную модель и промышленный образец.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Постановка цели и задач диссертационной работы, выбор и разработка методик аналитических и экспериментальных исследований, теоретические положения и выводы по работе выполнены лично автором. Доля соискателя в опубликованных с соавторами работах по теме диссертации составляет от 25 до 75%.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 304 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 65 рисунками, содержит 25 таблиц, включает 235 наименований литературных источников.
Аналитический обзор волокнистых армирующих структур - основовязаных трикотажных и нитепрошивных в качестве основы композитных материалов
Композиционные материалы (композиты) являются основой создания самых разнообразных изделий бытового и технического назначения, спорта и туризма, медицины и многих других областей применения. Технический прогресс был бы невозможен без создания новых композитных материалов с заданными функциональными свойствами. По данным JEC [4] объем мирового производства композиционных материалов составляет 41,5 млрд. евро в год. Наиболее значимыми областями их использования являются автомобилестроение (23%), гражданское строительство (21%), авиастроение (17%), спортивное снаряжение (11%). При ежегодном, вплоть до 2012 года, прогнозируемом росте объемов производства в 5% отдельные сектора будут развиваться еще интенсивнее: судостроение (+7%), энергомашиностроение (лопасти винтов ветрогенераторов) (+20%). Технический текстиль развивается как количественно, так и качественно. Тенденция развития мирового рынка технического текстиля по данным английской организации David Rigby Association (DRA), специализирующейся на исследовании текстильного рынка, к 2010 г. достигло 23,8 млн. т на сумму $126 млрд. [5].
Как результат этого появился широкий спектр текстильных композитов различного применения, среди которых высоконагруженные, многофункциональные и др.
В условиях мирового кризиса применение инновационных, конкурентных по цене и качеству текстильных продуктов становится наиболее актуальным, что наглядно подтверждается включением получения полимерных композиционных материалов в перечень [6] критических технологий значимых для обороны страны и безопасности государства. Среди современных материалов большое значение имеют армированные полимерные материалы (волокнистые полимерные композиты, ВПК) конструкционного назначения, как обладающие высокими удельными механическими свойствами (отнесенными к единице массы и объема), применение которых дает существенные преимущества по технологичности, снижению материалоемкости и стоимости изделий, улучшению их эксплуатационных характеристик, повышению надежности [7].
Эффективная реализация достоинств этих материалов в конструкциях требует решения комплекса задач, связанных с конструированием изделия, выбором материалов, с определением рациональной структуры материала, соответствующей полю механических, тепловых, химических и других воздействий, с учетом существующих технологических ограничений.
Композиты — это определенная комбинация разнородных материалов, обладающая специфическими структурой и геометрической формой. При проектировании композита пытаются реализовать наивысшие эксплуатационные характеристики материала, недостижимые при использовании каждого из компонентов в отдельности, получить уникальную структуру [7].
Композиты состоят из двух и более компонентов: ? непрерывного компонента (матрицы), в котором распределены наполнители; ? основного наполнителя, улучшающего функциональные свойства материала; ? модифицирующих добавок, улучшающих способность материала к переработке или придающие ему дополнительные свойства. По виду активного наполнителя композиционные материалы подразделяются на две группы: - наполненные материалы с введением дисперсных наполнителей; — армированные (упроченные волокнами или волокнистыми структурами) материалы. Основу армированных полимерных материалов составляют волокнистые армирующие наполнители (АВН), объединенные в монолитный композиционный материал матрицей или связующим. В волокнистых полимерных композитах армирующий наполнитель, состоящий из волокон, нитей или полотна, воспринимает механические нагрузки, определяя - основные механические свойства материала — прочность, деформативность, жесткость. Полимерная матрица (связующее), находящаяся в межволоконном пространстве служит для распределения механических напряжений между волокнами или нитями и определяет монолитность материала.
Текстильные (волокнистые) композиционные материалы можно определить как комбинацию полимерного связующего с волокнами, системой нитей или полотном (нетканым, трикотажным, тканью), полученными по текстильной технологии. Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру.
Текстиль это единственный в своем роде волокнистый материал, у которого волокна (нити) соединены силами трения, а деформация происходит как вследствие деформации волокон (нитей), так и вследствие их обратимого взаимного перемещения. Структура волокнистых материалов является- многоуровневой, включающей четыре основных уровня: молекулярный (макромолекулы), надмолекулярный (фибриллы), микроуровень (волокна) и макроуровень (волокнистый материал) [8]. В свою очередь, волокнистый материал также можно разделить на уровни масштаба: волокна, нити, нитяные или волокнистые структуры (ткань, трикотаж, нетканые полотна), композитные материалы или детали изделий из композитов.
Совершенствование технологии переработки засоренных волокнистых смесок в пневмомеханическую пряжу
Одним из условий, обеспечивающим эффективное применение пневмомеханического способа прядения при производстве пряжи для армирующего наполнителя- композитного материала из засоренного волокна или волокнистых отходов является необходимость снижения уровня обрывности, позволяющего не только сохранить, но и расширить фронт обслуживания.
Установлено, что на уровень обрывности оказывают влияние три основных качественных показателя питающей ленты - содержание микропыли, пороков і и сорных примесей в ленте, разъединенность комплексов волокон и неровнота ленты.
К чистоте питающей ленты предъявляются повышенные требования, как при выработке пряжи малой, так и при получении пряжи большой линейной плотности. С уменьшением линейной плотности пряжи процесс прядения на пневмомеханических прядильных машинах становится более чувствительным к содержанию жестких пороков в питающем продукте, так как соринки одной и той же массы и одинакового объема служат большим препятствием к проникновению крутящего момента к месту формированию пряжи, нарушая тем самым процесс ее скручивания.
При производстве пряжи больших линейных плотностей возникает проблема отложений сорных примесей в сборном желобе камеры. В итоге количество отложений достигает такой величины, при которой выработка пряжи становится неэффективной из-за частых обрывов.
Кроме того, неравномерно расположенные по окружности желоба, отложения способны вызывать характерный для пневмомеханической пряжи брак - периодическую неровноту, которая проявляется в виде «муарового» эффекта на ткани (рис. 2.1). Специалисты ткацких и отделочных производств текстильных предприятий отмечают, что такой вид брака, как «муаровый» эффект, чаще наблюдается при выработке тканей из пряжи повышенной линейной плотности, в производстве которой используются наиболее засоренные смески. Появление этой периодичности представляет собой случайное явление, основной причиной появления которого считается ухудшение условий работы прядильных камер из-за неравномерного накопления в роторе загрязнений в виде отложений микропыли и частиц сора, скрепленных между собой и поверхностью ротора восковыми части Рис. 2.1. Ткань с муаровым эффектом: а — «полосатость»; б- «зебри стость» цами. Кроме этого, рыхлую и неравномерную пряжу невозможно использовать для получения трикотажных полотен.
Перечисленные трудности усугубляются с ростом частоты вращения ротора, существенно снижая общую эффективность процесса прядения. Поэтому были поставлены задачи детально изучить причины образования периодической неровноты пряжи, а также изменение свойств пряжи с ростом отложений в камере. Кроме того, исследовать динамику процесса накопления отложений в прядильных камерах на пневмомеханических прядильных машинах. 2.1. Исследование факторов, влияющих на свойства пневмомеханической пряжи
До сих пор не сформировалось четкого мнения по поводу перечня-факторов технологического процесса пневмомеханического прядения, влияющих на свойства пряжи и значимости каждого из них. Анализ литературных источников выявил противоречивость взглядов по данному вопросу. В работе [90] выявлены тенденции ухудшения свойств пневмомеханической пряжи со временем наработки бобины. Авторы выдвигают гипотезу о связи этих явлений не столько с чистотой питающего продукта, сколько с накоплением отложений в камере. В работе [91] закономерности изменения свойств пряжи в зависимости от времени наработки бобины не выявлены. Однако авторами отмечено, что изменение свойств по зонам намотки должно ярче проявляться для пряжи высоких линейных плотностей (более 18,5 текс).
Ранее [92-102] в результате регрессионного анализа было установлено, что именно процесс чесания определяет такие свойства полуфабриката, как разъединенность, распрямленность и засоренность. Выявлен рациональный способ подготовки полуфабриката к пневмомеханическому прядению, включающий двукратное чесание и один ленточный переход. Обобщенный показатель качества пряжи лучше при использовании двух-барабанной чесальной машины. Трехкратное чесание без использования ленточных машин создает необходимые свойства полуфабриката для получения пневмомеханической пряжи хорошего качества, однако экономически нецелесообразно. Выявлена устойчивая корреляционная связь свойств полуфабриката со свойствами пневмомеханической пряжи, в качестве единичных показателей полуфабриката, определяющих свойства пряжи, могут быть приняты относительная работа разрыва, коэффициент рас-прямленности волокон, число пороков в 1 грамме, коэффициент вариации ленты по линейной плотности. Прямым и косвенным методами выявлена тенденция улучшения разъединенности и распрямленности волокон с увеличением числа чесальных переходов. Это подтверждает, что относительная работа разрыва ленты является достоверной косвеннойюценкойструк-туры ленты. Полученные в работе [92,101] линейные уравненижзависимо-сти основных свойств,пряжи от показателей ленты, позволяют оперативно воздействовать на ход технологического процесса и дают возможность прогнозировать качество пряжи.
Принимая во внимание вышесказанное, были определены задачи исследования: 1)- определить наиболее значимые технологические факторы, влияющие на свойства пневмомеханической пряжи; 2) выявить характер изменения свойств пряжи в течение времени наработки бобины и установить причины, обуславливающие эту тенденцию; 3) изучить причины образования периодической неровноты пряжи. Анализ литературных источников [103-105] позволил выделить в качестве факторов, влияющих на процесс накопления сороотложений в. камере, которые, в свою очередь, являются причиной ухудшения свойств пряжи и появления периодической неровноты, следующие: - наличие или отсутствие сороочистительного устройства (прядильные машины BD-200-R и BD-200-RQ; - чистка камеры при- обрыве (отбирались бобины, наработанные без обрыва и с обрывом пряжи); - период процесса прядения, соответствующий формированию определенной зоны бобины по радиусу намотки (бобина с пряжей делилась через равные временные промежутки на 6 зон).
Разработка технологии эффективного вязания лубяных волокон при изготовлении полотен тамбурным способом для композитных материалов
Для производства армирующих текстильных наполнителей композиционных материалов важно использовать недорогое сырье, обеспечивающее необходимые эксплуатационные свойства изделия и экологичные способы его утилизации по окончании срока службы. При формовании композитных изделий сложной формы в качестве армирующего наполнителя лучше всего подходит основовязаный трикотаж, поскольку он имеет равную растяжимость во всех направлениях, без значительной деформации ячеистой структуры и без накопления остаточных внутренних напряжений. Такой композит лучше выдерживает многоцикловые нагрузки, при его разрушении не образуется осколков и острых граней. Большинству этих условий удовлетворяют основовязаные сетки из льносодержащего сырья, в качестве которого можно использовать пневмомеханическую пряжу из оческовой льняной смески или смеси низкосортного хлопка с короткими или котонизированными волокнами, полученными из льняных отходов [145]. Подобная пряжа обладает достаточной прочностью, эластичностью и растяжимостью, адгезионными свойствами по отношению к полимерной матрице композита, к тому же, она биоразлагаема. В то же время эта пряжа обладает повышенной рыхлостью, неравномерностью по линейной плотности и разрывной нагрузке. Волокна, из которых она состоит, более жесткие и ломкие, по сравнению с обычным сырьем, применяемым для трикотажных изделий. Переработать эту пряжу на обычных основовязальных машинах практически невозможно, поскольку главными требованиями к исходным нитям являются эластичность, минимальная неравномерность по линейной плотности и прочности, гладкая поверхность с невысоким коэффициентом трения [146,147].
Анализ уравнения (3.2) показывает, что с увеличением D возникает ситуация, когда второе слагаемое становится отрицательным, угол охвата резко уменьшается, а в соответствии с формулой (3.1) снижается и натяжение нити. Экспериментальные зависимости натяжения нити от угла охвата приведены на рис. 3.2 [150].
На основании вышеизложенного можно утверждать, что наиболее приемлемым способом вязания полотен из грубой пряжи является тамбурный способ.
В начале 50-х годов А.С. Далидович и Ю.Т. Джермакян разработали способ производства трикотажного полотна посредством двух основ [151], с помощью которого на стендовой машине были получены образцы полотен изнаночных переплетений, названных авторами цепочка и трико. Новый процесс петлеобразования был назван тамбурным [152]. Процесс тамбурного петлеобразования, реализованный машинным способом в середине прошлого столетия в Италии, осуществляется двумя изогнутыми в виде крючков трубчатыми спицами, внутри каждой из которых продеты нити основы. Число трубчатых спиц равно числу нитей основы [43]. Образование петель выполняется попеременно сначала на одной спице, затем на другой.
Принципиальное отличие данного способа производства заключается в отсутствии вязальных игл. В связи с этим, появляется возможность использования любых видов пряж без ограничения по линейной плотности, составу сырья и структуре. Особая же характерная структура полотен достигается сочетанием использования различных трубок и переплетений.
Петлеобразование осуществляется с помощью двух игольниц, состоящих из рядов изогнутых полых трубок. Петли формируются двумя лежащими друг против друга провязываемыми основами за счет взаимного смещения (прокачки) главных органов петлеобразования - направляющих трубок [153, 154]. Они представляют собой стальные полые трубки, согнутые в виде крючков, закрепленных рядами на двух параллельных планках - игольницах. Сквозь каждую трубку проходит одна нить основы, и трубки-крючки взаимодействуют попарно, т.е. один с передней игольницы, другой - с задней. За счет сложного движения направляющих трубок происходит формирование петель в ряду на передней и задней планках последовательно. В тамбурном процессе петлеобразования операция купирования отсутствует, а размеры рабочих органов никак не влияют на величину длины нити в петле. Между рядами в открытый зев может пробрасываться нить утка.
Машина может перерабатывать различную пряжу: хлопчатобумажную, полушерстяную, нейлоновую, резиновую, металлическую, формируя тяжелые и легкие виды» полотен в клетку, с ромбическим рисунком, в полоску и т.д. при относительно невысокой скорости вязания. Ширина машины 1600 мм, она имеет кулачковый механизм прокладывания утка. Класс машины определяется расстоянием между центрами соседних крючков в миллиметрах. Нитеводительные гребенки изготавливаются в наборе с расстоянием между центрами трубок 5, 7, 10 и 14 мм, то есть класс машины может быть изменен для перезаправки путем быстрой смены гребенок. С 2000 года НП «Шуйская машиностроительная компания» производит по лицензии итальянской фирмы Caperdoni & Со S.p.A. основовязаль-ную машину ОВ-160 (рис. 3.5) и ее более широкий вариант ОВ-200 на базе известной модели TWFHS160 (TWFHS200) Caperdoni-Waltex [155-157]. Комплектация машины позволяет использовать ее в соответствии с 4-мя классами заправки (табл. 3.1) Первые две петлеобразующие трубки (трубчатые спицы) слева и одна последняя справа заправляются кромочными нитями, сматываемыми с бобин, поставленных прямо на полу рядом с машиной. При работе машины все трубчатые спицы должны быть заправлены. Возможно одновременное использование различных видов основной пряжи. Отличие по линейной плотности одновременно заправляемой пряжи должно быть в пределах от 10 до 50% в зависимости от выбранного переплетения.
Характеристики волокнистых армирующих струк тур (наполнителей) на основе пряжи и нитей
В процессах производства - при вязании, браковке,, влажно-тепловой обработке, раскрое, а также при формовании композитных изделий и материалов трикотаж подвергается усилиям, значительно меньшим разрывных, чередующихся с отдыхом, при этом процессы деформации протекают во времени и являются релаксационными. Анализ поведения трикотажа в процессе релаксации позволяет прогнозировать распределение сил и деформаций в полотнах при формовании объемных деталей из композитных материалов и проектировать прибавки при раскрое полотна по участкам конструкции изделия.
При растяжении текстильных материалов, состоящих из волокон, являющимися природными или искусственными полимерами, происходит выпрямление и переориентация наноструктурных звеньев или макромолекул. При снятии внешних усилий и отдыха (второй полуцикл) возникают обратные процессы - самопроизвольное возвращение к исходному состоянию и уменьшение длины образца. При растяжении энтропия материала уменьшается, поскольку происходит статистически менее вероятное распределение конформаций структурных элементов. При разгрузке, наоборот, энтропия увеличивается, так как самопроизвольные процессы в.системе направлены в сторону равновесного состояния, т.е. к более вероятному распределению структурных элементов. Чем больше увеличивается энтропия, тем меньше становится свободной энергии. В состоянии равновесия. энтропия имеет максимальное значение. Таким образом, для трикотажа как текстильного материала, состоящего из полимеров, обязательным является эластический механизм растяжения, связанный с изменением нанострук-турных (макромолекул и их конгломератов) и микроструктурных (волокон петель) элементов. Упругие и эластические деформации трикотажа обратимы, в первом случае процесс деформации быстротечен, во втором случае он длительный и характеризуется спектром времени [34]. В обоих.случаях наблюдаются гистерезисные явления т.е. обратный процесс релаксации после снятия нагрузки несимметричен прямому релаксационному процессу, в трикотаже после этого могут быть остаточные деформации, сохраняющиеся очень длительное время. Скорость восстановления первоначальных размеров образцов после прекращения действия нагрузки зависит от времени действия и величины нагрузки.
Возможен еще и третий, пластический механизм растяжения, связанный с необратимым смещением волокон в нитях или части элементов петельной структуры, с потерей старых и приобретением новых связей. Это сопровождается необратимым удлинением нитей, изменением кривизны элементарных звеньев петельной структуры, смещением точек контакта между нитями и перетягиванием нити из одного участка элементарного звена в другой.
При больших деформациях растяжения трикотажа, когда петельный шаг и высота петельного ряда приближаются к предельным значениям, выпрямленные участки нитей ведут себя как жесткие звенья. Дальнейшее развитие деформации приводит к появлению упругости, характерной для продольного растяжения нитей, т.е. растяжение заметно уменьшается, а модуль упругости резко возрастает.
При наличии процессов с длительными периодами релаксации в структуре трикотажа устанавливается относительное устойчивое равновесие - метастабильное состояние, в котором имеется заторможенная или вынужденная эластическая деформация. Это состояние может сохраняться длительное время, даже при наличии небольших внешних нагрузок. Мета-стабильное состояние трикотажа можно- зафиксировать термической или химической обработкой, втом числе и нанесением полимерной матрицы композита. Віэтом случае показатели упругости трикотажа возрастают.
Процессы релаксации значительно ускоряются при тепло-влажностной обработке трикотажа и сопровождаются его усадкой, что, несомненно, следует учитывать при нанесении полимерной матрицы. Релаксация ускоряется также за счет вибрации трикотажа, поскольку происходит восстановление первоначального положения точек контакта между нитями, что также следует учитывать при эксплуатации композитных материалов, поэтому в данном случае виброрелаксацию следует проводить по методу М.Л Абельского и В.Н. Гарбарука при отделке трикотажа [167].
Механические и деформационные свойства трикотажа исследуются в большинстве случаев без учета релаксаций, хотя известно, что-релаксационные свойства у трикотажных структур проявляются» наиболее1 сильно и должны учитываться при использовании трикотажа в качестве армирующего слоя композитных материалов.
В настоящее время не выведена зависимость, удовлетворительно описывающая взаимосвязь напряжения и деформации с учетом свойств текстильных нитей и геометрических параметров трикотажа (параметров взаимного расположения петель, длины нити в петле, среднего диаметра нити).
В текстильном материаловедении распространено изучение свойств трикотажа как вязкоупругого тела с использованием его механических моделей. При таком подходе изучаемый материал заменяется его моделью, состоящей из того или иного набора упругих (подчиняющихся закону Гу-ка) и вязких (подчиняющихся закону Ньютона) элементов. При использовании механических моделей весьма точно описываются процессы деформации различных материалов, в том числе и трикотажа, во времени.
Особенностью трикотажного полотна является его малая v деформационная жесткость, что совместно с другими1 механическими свойствами обуславливает нелинейность деформационных свойств, т.е. изменяющийся в зависимости от относительного удлинения релаксирующий модуль, т.е. зависимость модуля упругости Ег от временного фактора lg(/7 ).
При растяжении трикотажа одновременно происходят процессы, осуществляемые в два периода: в первом при небольших внешних усилиях деформация1 происходит за счет выпрямления дуг, во втором - за счет перетягивания нитей из одних участков в другие, когда растягивающие силы больше сил трения. При этом, за счет прижатия нитей друг к другу в точках контакта силы трения увеличиваются. Деформации, приобретенные в первом периоде полностью обратимы, во втором — частично, релаксация требует большего времени. Деформации нити при этом упруго-пластические без разрушения. Существует также и третий период, когда происходит растаскивание волокон в нити, вплоть до ее разрыва, деформации переходят в пластическую зону и практически необратимы. Полная деформация равна сумме трех ее составляющих єп = єу + є3 + є , т.е. упругой, эластической и пластической деформаций.
Похожие диссертации на Проектирование свойств, разработка технологии производства льносодержащих армирующих трикотажных структур для волокнистых композитных материалов
-
