Введение к работе
Актуальность теш. Перспективи разшггня текстильной прсмш-ленности, как и любой другой отрасли, в основном зарксят от возможности дозтияекия качественных показателей при постоянном снижении затрат производства. Появление технологии нетканых материалов явилось результатом поиска более экономичных процессов изготовления текстильних полотей. Производство нетканих материалов позволяет элективно земенить гканл неткаными материалам при резком сокращении трудозатрат, енняении себестоимости к высвобождении натурального сырья.'
Эти положительные гакторы дай? возможность оперз.чакцего развития производства нетканых материалов наряду с производством традиционных тканых и трикотажных пелотон.' В настоящее врект на нетканые материалы различных видов приходится 25-30% об-дего карового выпуска текстильных изделия, а среди вютуска материалов технического назначения - 65.
Наиболее часто в технических целях используются иглопробивные нетканые материалы, так как они обладают равномерной структурой, позволявшей с достаточной точностью прогнозировать из: эксплуатационные свойства. Иглопробитюй способ производства текстильних материалов становится все более разнообразным как с точки зрения вырабатываемых изделий и областей их применения, так и с точки зрения технологии их изготовления. К пгрспектппцы отраслям применения нетканых иглопробивных материалов относятся электротехническая, автомобильная и космическая промшлепностн, где невозможно использовать только традиционные текстильные полотна.
За последние 20 лет нетканые материалы завоевали себе заслуженное признание в автомобилестроении. Начиная от специальных і'іумопонікаюгдих покрытий для двигателя до иглопробивных нетканых коврикоз в салоне, а также салонная отделка, панель управления и элементы ремней безопасности, - все ото позволило нетканім материалам медленно, по верно, завоевать себе автомобильный рынок.
3 последние годы стоит проблема повнлэния кг.чєстза axirray-ллторных бзтарей, з том післе п в автот'о 'пльчо" промышленности, которая коы.ет быть рс-еиа путем ііспуі^о-ыыл б них гп'логгрс';;:-
-4--нък нетканых материалов малой объёмной плотности. Kait известно, емкость аэтсумулятора и срок его службы при прочих равных условиях зависят от суммарной поверхности его влементов, что в настоящее время ысесно достичь только увеличением самих элементов и со-отвэтствошо габаритов аккумулятора.'
Использование в-.качестве структурообразующего иглопробивно
го нетканого иатериала малой объемной плотности позволяет значи
тельно увеличить поверхность элемента аккумулятора боз изменения
его размеров, а значить повысить ешюсть и срок службы. Поэтому
разработка технологии иглоігробквшх нетканых материалов малой
объёмной плотности из вискозных волокон является актуальной за
дачей. . ,
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка технологии иглопробивных нетканых материалов малой объёмной плотности из вискозных волокон, предназначенных для изготовления аккумуляторных батарей, на отечественной обору-' довании.
Для выполнения поставленной цели решены следуюіцие задачи:
проведен анализ состояния производства нетканых материалов малой объёмной плотности;
проведен анализ способов производства и сырьевой базы нетканых материалов малой объёмной плотности;
проведен анализ современного оборудования, применяемого для получения иглопробивных нетканых материалов малой объёмной плотности;
проведен анализ научных исследований, выполненных в области технологии иглопробивньх нетканых материалов;
разработан способ прогнозирования технологии иглопробивных нетканых материалов малой объёмной плотности;
проведена оптимизация процесса иглопрокалывания при.получении нетканых материалов из виекозьих волокон линейной плотности 0,17 и 0,31 текс;
разрабсташ технические условия и технологический регла-кет- на изгото&теше иглопробивных материалов м&той объёмной плотности на отечественном оборудовании для внедрения полученных результатов з промышленности.
Нэтодика исследования. Анализ современного состояния пропз-лэдстна котканых материалов малой объёмной плотности, испольсуе-мнх в различных областях битового и технического назначения,
проведен путом изучения научно-технической и патентной, літератури отечественных и згрубеглых авторов.
Определение физико-механических свойств нетканых материалов проводилось по стандартам методикам.
В процессе исследования влияния технологических параметров на физико-механические показатели иглопробивных материалов использованы совремешшо методы математического планирования эксперимента. Статистическая обработка получзкннх результатов проведена на ЭВМ. .
Научная новизна. Научную новизну работы составляет разработка и оптимизация технологического процесса, изготовления иглопробивных нетканых материалов малой объёмной плотности из вискозных волокся, способ прогнозирования зависимости объёмной плотности иглопробивного нетканого материала от плотности прокалываиик.
Практическая ценность. Разработана технология иглопробивных нетканих материалов малой объемной плотности технического назначения из вискозных волокон.
Работа выполнена по хоздоговору с ИМ "Сатурн" г. Краснодар в соответствии с Постановлением СМ СССР от 21.05.68 г. !3 767-.№3.
Разработаны и утверждены технические условия и технологический режим производства иглопробивного нетканого полотна.
Разработанные нетканые материалы малой объемной плотности технического назначения внедрены на предприятии ШК "Сатурн",
Апробация работы. Осноенсє содержание работы докладывалось и получило положительную оценку на:
научной конференции прсЬессорзко-гсреподакательского соета-за, научных сотрудников и аспирантов І.5ГТА км. А.Н. Косыгина, «февраль ГЭ93 г.;
научном семинаре ti? I от 12.04.93 г. "Новые технологии з производстве нетканых материалов";
расширенном заседании кафедры технологии нетканых материалов ИГТА га.!. А.Н. Косыгина, 22 ноября, 1993 Iі.
По материалам диссертационной работы опубликовано 3 статьи.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит иг зведенім, пяти глаз, основных выводов по работе, изложенных на 150 страницах машинописного текста; содержит '37 рисункоз, 23 таблицы, список литературы из 116 наименований и 3 приложения.
- в-
Во введении приводится обосновшше выбора темы, доказывается атсруалыгазть, излагается научная новизна и практическая ценность работы, формулируются цель и задачи исследования.
В первой главе проведен анализ современного состояния технологии нетканых материалов мапой объёмной плотности. Темпы роста производства нетканих материалов малой объёмной плотности значительно выше среднего ежегодного роста производства нетканых материалов.
Подробный анализ литературных источников позволил сделать вывод с том, что материалы малой объёмной плотности используются в различных областях бытового и технического назначения, но, как правило, с арішрующим материалом. Основой сырьевой базы их производства являются химические волокна, скрепление которых происходит в большей части либо с использованием термической обработки,' либо нанесением связующего зещества.
Иглопробивной способ получения нетканых материалов малой объёмной плотности, предназначенных для изготовления аккумулятор-кых батарей, является наиболее рациональным как с точки зрения экономических показателей, таї: и отсутствия связующих веществ в технологии их получения. Иглопробивная технология, как правило, ориентируется на максимальное уплотнение волокнистого холста, чем и объясняется изменение диапазона объёмной плотности вырабатываемого в настоящее время ассортимента иглопробивных изделий.
Следует отметить, что проводимые ранее научно-исследовательские работы в области технологии иглопробивных нетканых материалов относились к полотнам с объёмной плотностью 0,08 г/сиг и более. Вопросы прогнозирования свойств иглопробивных нетканых материалов меньшей объёмной плотности оставались открытыми до настоящего времени.
Анализ оборудования, используемого для производства иглопробивных" нетканых материалов малой объ"\шой плотности позволил сделать внзод, что для производства указанных материалов можно использовать существующее отечественное оборудование, в частности, одчоголоаочиуя иглопробивную маїлину КМ-І80Ш.
Бо второй главе изложено методическое обеспечение проведения океяериментальякх исследований; представлены требования к нетка-iffii материала-:, предназначенным для изготовления аккумуляторных
-7-. батарей; предлагается технологическая цепочка, которая позволяет получить иглопробивной материал с заданными физико-мвханичосккки показателям; обосновывается шбор вискозного волокна.
Для оценки (Ттизико-механичзсккх свойстз иглопробивных нетка-ннх материалов производили испытания в соответствии со стандартными методиками. Основными свойствами язлялись:
поверхностная плотность, г/їг;
толщина, мм;
объёмная плотность, г/см3;
разрывная нагрузка по длине и ширине, Н;
удшшение при разрыве по длине и ширине, #;
воздухопроницаемость, дкгЛг cf
пористость, %.
В настоящее время для анализа сложных технологических ' процессов, к который относится и производство неткаїшх материалов, широко применяются методы математического моделирования, которые включают методы получения математических моделей и их исследова-!піе с помощью ЭВМ. В данной работе использовались . экспериментальные метода: в пассивном експеримзнте - корреляционные анализ; в активном эксперименте - Д-сптимальный план Бокса второго порядка для грех факторов. Метода математического планирования эксперимента позволяют получить математические модели исследуемого процесса в ргачизовакком диапазоне изменения многих факторов, влиянщкх на. процесс, наиболее экономичным и эффективным способом.
В третьей главе рассматривается вопрос прогнозирования технологии иглопробивных нетканых материалов малой объёмной плотности.
Анализируя ряд научно-исследовательских райст по технологии иглопробивных нетканых материалов, молно отметить, что зависимость некоторых из 5:изико-механических свойств иглопробтаных материалов от плотности прокалывания имеет параболический вид. Однако, теоретическое подтверждение этому дано только для разрывной нагрузки иглопробивного материала. Зависимость разртынои нагрузки иглопробивного нетканого-материала от плотности прм:аліі-вания имеет экстремальную точку, которая соответствует максимальної! прочности иглопробивного материала при критическом зпа-чешт плотности прокалывания.
Если определять зависимость объёмной плотности иглопробив-
- ь -него матгривле от'плотностм прокалывания, то мокно с определенной достоверкоетыо сказать, что характер изменения объёмной плотности макроэлемента структуры иглопробивного материала имеет следующий еед:
dfr-k-dtt, Сіл.)'
где 5" - объёмная плотность; К - коэффициент; Я - сила нормального давления. После проведения ряда математических преобразований, мы получим зависимость объёмной плотности макроэлемента иглопробивного материала от нлотьости прокаланания:
dd * р, аП + ^ndn, . (1.2.)
где pL ; рх - коэффициенты.
Учитывая бесконечное множество макроэлементов, составляющих иглопробивной материал, можно определить зависимость объёмной плотности иглопробивного нетканого материала от плотности прокалывания, интєічжрул выражение {!.%.):
idS-^n + ^a Ла+ С, и.з.)
где С - постоянная интегрирования.
Величина С имеет физическое значение и равна объёмной плотности эолокнистого холста при нулевом значении плотности прокалывания.
Для определения значения экстремальной течки графика уравнения (1.2.) достаточно взять первую производную , и приравнять ее к нулю, асли поцотевить полученное значение в уравнение (1.3.)', по-
Так как по условию проведенных расчетов йг< 0, экстремальная точка графика уравнения оіфеделяет максимальное значение объёмной плотности иглопробивного материала при критическом значении плот-кости прокалынания. Минимальная объёмная плотность иглопробивного материала мэкет быть получена при значениях плотности прокалывания больше или меньше критической.
С увеличением плотности прокапывания производительность иглопробивной маштеы'будет уменьиаться, поэтому для определения рационального режима иглопрскалывания при получении иглопробивного нетканого материала малой объёмной плотности следует устанаани-лать значение плотности прокалывания меньше критической.
Дія подтверждения проведенного анализа зависимости объёмной плотности иглопробивного материала от плотности прокатывания в работе выполнены экспериментальные исследования.
3 качестве объекта экспериментальных исследований использовались иглопробивные материалн из вискозных волокон линейной плотности 0,17 и 0,31 текс. 3 процессе исследований были получены однойакторные зависимости разрывной нагрузки и объёмной плотности материала от плотности прокалывания при различных значениях глубины, частоты, прокалывания и поверхностной плотности волокнистого холста.
Так как проведенный анализ был основан на известной зависимости разрывной нагрузки иглопробивного материала от плотности прокалывания, в настоящих исследованиях определялась зависимость разрывной нагрузки нетканого материала от плотности прокалывания и ее корреляционная связь о объёмной плотностьв.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что зависимость объёмной плотности иглопробивного материала, от плотности прокалывания имеет параболический вид, а корреляционный 'анализ зависимостей разрывной нагрузки и объёмной плотности материала от плотности прокалывания дает устойчивую сильную связь /Р« 0,737 - 0,996/, что подтверждает ранее высказанные потокения при теоретическом анализе процесса образования иглопробивного нетканого материала малой объёмной плотности. .
В четвертой главе проведены исследования по оптимизации технологических параметров в соответствии с требуемыми физико-механическими показателями готового иглопробивного нетканого материала технического назначения из вискозных волокон линейной плотности 0,17 и 0,31 текс /тол.цина: 0,1-10 мм; объёмная плотность: 0,04 +0,004 г/см^; поверхностная плотность:-100-1000 г/м2; разрывная нагрузка: 10-650 Н/.
Чтобы обеспзчить требуемое качество изделий, экспериментальные исследования проводились в несколько этапов. Первый этап работы включал выработку образцов материала различной толщины, поверхностной и объёмной плотности для определения пзаниц интервалов V! уровней вірьироватля одного из факторов - поверхностной плотности волокнистого холста. На втором этэпа вырабатывались образцы с различной глубинеґ; прокачивания.
Исходя из проведенных предварительных экспериментов, были установлены слодуїу-іие уровни и интервалы парьирования *акторо?:
.-- 10 -плотность прокалывания, см ** - 50, 100,. 150; глубина прокалыЕакия, мм - 2, 4, 6; поверхностная плотность волокнистого холста, v/ir -400, 600, 800. При этом использовалось вискозное волокно линейной плотности 0,31 текс длиной резки 65 мм.
Согласно плану проведения экспериментальных исследований иглопробивные нетканые материалы вырабатывались 14 видов. Используя математическое планирование эксперимента к проведя расчеты на сШ, были получены математические зависимости и построены грзЛики, отражающие зависимость физико-механических свойств от технологических параметров изготовления.
Проверка гипотезы об однородности дисперсий в опытах матрицы с помощью критерия Кочрена показала, что расчетные значения критерия во всех случаях меньше табличного, следовательно, проведенные эксперименты обладают свойствами воспроизводимости.
Анализ, значимости коэффициентов регрессии с помощью критерия Стьюдента для 95* достоверности позволил выделить незначимые коэА>-сГициентн. Полученные модели адекватны реальным объектам с 95 вероятностью, так как во всех случаях критерий Филера расчетный меньше табличного.
Наиболее технический при эксплуатация в условиях НИК "Сатурн" показал себя нетканый материал с минимальной поверхностной . плотностью. Исходя из требований, предъявляемых к иглопробивным нетканым материалам технического назначения, и основываясь на проведенных исследованиях, определены оптимальные параметры технологического процесса:
плотность прокалывания - 60 проколов на см2;
глубина прокалывания - 4 мм;
- поверхностная плотность волокнистого холста - 400 г/м".
При этом нетканый материал имеет следуючдае Физико-механичес
кие показатели:
толщина - 9,9 мм;
поверхностная плотность - 396 гДс;
объе;лная плотность - 0,040 r/cir;
разрывная нагрузка по длине - 21,7 Н;
разрызная нагрузка по шрине - 24,7 Н;*
удлинение при разрыве по дійне - 85,0 #;
удлинение при разрыве по ширине - 86,3 %.
- П г
Аналогичные исследования били проведены для нетканого материала из вискозных волокон линейной плотности 0,17 текс с уменьшенной поверхностной плотностью до 200 г/ы .
В качестве варьируемых секторов процесса иглопрокалывания были выбраны следующие: плотность прокалывания, сы - 50, 100, 150$ глубина прокалывания, ыи - 2, 4, б; частота прокаливания, мин"1 - 250, 350, 450.
используя аналогичные метода математического планирования эксперимента, были получены уравнения регрессии, отражощие зависимость Физико-механических свойств иглопробивного нетканого материала от технологических параметров его изготовления.
В результате проведенных исследований были определены оптимальные параметры технологического процесса:
плотность прокалывания - 75 проколов на смг;
глубина прокалывания - б ш;
частота прокалывания - 350 оборотов в мин. . Показатели материала, полученные при реализицин указанных
параметров,. следующие:
толщина - 5,0 мм;
поверхностная плотность - 200 г/u ;
объемная плотность * 0,040 г/см3:
разрывная нагрузка по длине - 61,9 Н}
разрывная нагрузка по ширине - 62,5 Н{
удлинение при разрыве по длине - 91,5 $;
удлинение при. разрыве по ширине - 92,1 #;
воздухопроницаемость - 371 дм3/»2 с;
пористость - 95 'А.
В пятой главе иэлокея материал по разработке технической документации на выпуск иглопробивного нетканого материала из вискозных волокон.
Для реализации технология иглопробивных материалов малой объемной плотности в промышленности били разработаны и утверждены технические условия и технологический регламент производства нетканого полотна, предназначенного для изготовления аккумуляторных батарей.
. Технические условия - нормативно-технический документ, устанавливают^" комплекс требований' к конкретнга типам, маркам, артикулам продукізш, является неотъемлемой частко комплекта технической документации. В разработанных тахничосисг условиях тга иглопро-
- 12 -бивное нетканое полотно приведены требования, специфичные для данного вида продукции.
Технологический режим предназначен для указания необходимых-параметров по управлению выполняемых действий с применением технологических средств. Они способствуют качеству и стабильности изготовления продукции.
Технологический процесс производства иглопробивного нетканого материала малой объёмной плотности включает следующие операции:
подготовке, волокнистого сырья;
формирование волокнистого холста; - иглопрокалывание;
намотка.
Разработанная программа заправочного расчета иглопробивного агрегата АИН-І800 на выпуск нетканого материала малой объёмной плотности позволяет определить скорость рабочих органов чесальной машины Ч-ІІ-200Ш, параметры иглопрокалывания и выходные характеристики готового иглопробивного полотна. Технологический режим устанавливает также разводки между рабочими органами основного прочеса чесальной машины и прочесные числа рабочих органов чесальной машины Ч-ІІ-200Ш.
В соответствии с разработанной технической документацией опытно-промышленные партии иглопробивного нетканого материала вырабатывались в лаборатории кафедры технологии нетканых материалов и на Железногорской фабрике нетканых материалов.
