Введение к работе
1. Актуальность проблемы. Широкое использование текстильных материалов для производства изделий бытового и технического назначения требует сведений об изменении их свойств при переработке и эксплуатации. Поскольку эксплуатационные характеристики текстильных материалов определяются физико-механическими и гигиеническими (в том числе гигроскопическими) свойствами составляющих их волокон и нитей и условиями окружающей среды, то одним из основных вопросов при их разработке является расчет и прогнозирование этих свойств. Неотъемлемым показателем высокого уровня производства является использование автоматизированных компьютерных систем контроля и управления технологическими процессами, что делает актуальной задачу прогнозирования изменений гигроскопических и механических свойств волокон и нитей, которая в настоящее время решается с использованием эмпирических методов. Одним из существенных отличий волокон, нитей и изделий на основе волокнообразующих полимеров от других материалов является значительное изменение их свойств при внешних воздействиях, в том числе при эксплуатации в условиях действия активных сред и повышенных температур. Заметное влияние характеристик среды - температуры и сорбированной влаги - определяет работоспособность текстильных материалов и изделий и требует наличия методов прогнозирования изменения их свойств при различных внешних воздействиях. Такие методы пока разработаны только для отдельных показателей в ограниченном диапазоне изменения условий. Существующие в настоящее время методы прогнозирования свойств волокон и нитей в зависимости от их строения и условий использования носят, как правило, оценочный характер и недостаточно точны для практических расчетов. Следует отметить, что требуется не
только обоснованный выбор моделей изменения свойств, но и наличие достоверных исходных данных. В то же время опубликованные в ряде работ характеристики волокон и нитей заметно отличаются между собой вследствие различия методик испытания, что требует их критического анализа.
2. Цель и задачи работы. Создание методов расчета изменения гигроскопических характеристик и физико-механических свойств химических волокон и нитей, в том числе материалов со специальными свойствами, при воздействии механических, термических факторов и характеристик окружающей среды, которые позволят прогнозировать изменение этих свойств под влиянием внешних факторов. Достижение поставленной цели включает: критическое рассмотрение и обобщение имеющихся в литературе экспериментальных данных по свойствам волокнообразующих полимеров, полимерных волокон и нитей, их исследование, теоретический или эмпирический расчет с последующей проверкой; анализ зависимостей физико-механических свойств волокон и нитей от внешних воздействий; разработку моделей молекулярной подвижности в аморфных областях аморфно-кристаллических волокнообразующих полимеров, составляющих волокна и нити при воздействии внешних факторов на примере действия температуры и влаги; создание методов прогнозирования изменений свойств волокон и нитей при одновременном (комплексном) воздействии механических, термических факторов и влаги; разработку методического ' обеспечения для экспериментального определения свойств волокон и нитей в условиях воздействия на них активных сред и температур.
3. Общая методология исследования. Основными объектами исследования служили химические волокна и нити бытового и технического назначения. Автор защищает предложенные новые методы оценки ряда ха-
рактеристик волокнообразующих полимеров и волокон. Эти методы основаны на установленных в работе корреляционных соотношениях между свойствами волокнообразующих полимеров и волокон на их основе.
-
Научное направление. Автор защищает научные положения, на базе которых возможно прогнозирование поведения химических волокон и нитей при сорбционном, механическом, термическом и комплексном воздействиях. Направление включает в себя исследование закономерностей, описывающих структурную обусловленность физико-механических и гигроскопических свойств волокон и нитей, а также их изменение под влиянием рассмотренных воздействий. Обобщение и сопоставление полученных в работе закономерностей позволило разработать подход для прогнозирования поведения волокон и нитей при различных параметрах окружающей среды.
-
Научная новизна работы. Разработаны научные основы и методы прогнозирования изменения комплекса физико-механических и гигроскопических свойств волокон и нитей в зависимости от их структуры и условий окружающей среды.
-
Рассмотрен механизм молекулярной подвижности в ограниченно набухающих волокнообразующих полимерах и волокнах при сорбции ими паров воды, объясняющий изменение их физико-механических свойств вследствие набухания и служащий основой для прогнозирования изменений их структуры и свойств.
-
На основе рассмотренного механизма разработана физическая модель, отражающая взаимодействие функциональных групп макромолекул волокнообразующего полимера в аморфных областях волокон и нитей с молекулами низкомолекулярных веществ (в том числе воды), вызывающих ограниченное набухание материала, и объясняющая происходящие
при этом изменения структуры и физико-механических свойств с точки зрения пластификации.
-
Найдены зависимости, связывающие плотности аморфных областей и кристаллитов с концентрацией функциональных групп в элементарных звеньях макромолекул, и на их основе уточнены значения плотностей некоторых аморфно-кристаллических волокон.
-
Созданы методы оценки изменения температур стеклования и плавления в зависимости от структуры волокон и нитей, а также банк данных, содержащий сведения о температурах основных физических переходов в волокнах и нитях.
-
"Установлено, что для всех исследованных объектов соблюдается температурно-структурная инвариантность равновесных сорбционных свойств, что позволяет прогнозировать их изменение в широком интервале относительных концентраций сорбируемого вещества.
-
Изучено изменение температуры стеклования (Тс) набухающих волокон при сорбции ими паров неинертных веществ и показано, что в области точки перегиба изотермы сорбции с хорошей точностью совпадает с началом перехода волокна в высокоэластическое состояние. На основе этого явления предложены зависимости, связывающие изменения физико-механических и физических свойств волокон и нитей с их влагосодер-жанием и структурой.
-
Показано, что изменение механических свойств увлажненных волокон и нитей во времени может быть описано с позиций сорбцион-но-временной аналогии.
-
Найдены зависимости между изменением механических свойств волокон и нитей в предельно увлажненном состоянии и структурными характеристиками волокнообразующих полимеров. Проверена возможность
прогнозирования влияния на свойства волокон и нитей других низкомолекулярных веществ.
6. Практическая значимость работы. Получены результаты, позволяющие прогнозировать изменения механических свойств и структуры волокон и нитей в широкой области условий их эксплуатации, то есть при воздействии неинертного низкомолекулярного вещества, вызывающего их ограниченное набухание, и температур, вплоть до температуры разложения и, а также при их совместном влиянии.
-
Разработаны методы прогнозирования изменения сорбционно--гигроскопических свойств волокон и нитей в зависимости от их структуры, температуры и относительной влажности среды. Создан банк данных, содержащий сведения о гигроскопических свойствах волокон и нитей. Разработан пакет прикладных программ для работы с ними, а также действующая модель базы данных, на основе которой возможна разработка автоматизированной системы для выбора волокнистого состава материалов, обладающих требуемым комплексом свойств. Получена временная зависимость изменения количества сорбированного вещества (кинетика) в широком интервале его относительных заполнений, создана модель и уравнение, позволяющие описать эти изменения, как в процессе увлажнения, так и в процессе сушки.
-
На основе предложенной структурной физической модели пластификации предложена зависимость, позволяющая оценить изменение Тс волокнообразующего полимера в зависимости от количества сорбированной волокном влаги.
-
Предложен метод прогнозирования изменения механических свойств волокон и нитей (прочности, удлинения при разрыве и модуля деформации) от количества поглощенной влаги. Создан банк данных, содер-
жащий сведения об изменении механических свойств волокон и нитей во влажном состоянии. Разработан алгоритм их расчета, а также пакет прикладных программ для работы с банком данных, который может быть использован в автоматизированных системах контроля свойств и качества волокон и нитей.
-
Разработаны методы, позволяющие оценить сохранность влажных волокон и нитей при отрицательных температурах.
-
С использованием найденных зависимостей изменения механических свойств волокон и нитей при воздействии температуры, поглощенной влаги и времени воздействия разработаны методы прогнозирования изменения механических свойств волокон и нитей при одновременном влиянии этих факторов. Создано методическое обеспечение для изучения физико-механических свойств волокон и нитей при температурно-влаж-ностных воздействиях.
-
Созданные методы прогнозирования и таблицы справочных данных внедрены в институте технических сукон, НИИ химических волокон и композиционных материалов, АО "Невская мануфактура", Российском этнофафическом музее, музея антропологии и этнографии им. Петра Великого (Кунсткамера), АООТ "ИКОФЛОК", Центре испытаний и сертификации волокнистых материалов и изделий, НПО "Химволокно" (г. Мытищи) и др. Методики исследования использованы в учебном процессе в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна (на кафедрах материаловедения, физической, коллоидной и аналитической химии) и в Ивановском текстильном институте. Работа выполнялась в рамках Координационного плана Научного Совета РАН по адсорбции (тема 2.15.1.1) и программы ЛЕНТЕК.
-
Достоверность и обоснованность научных результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается проведением значительного объема измерений, их статистической обработкой, а также сравнением с результатами аналогичных исследований, проведенных другими авторами и включенных в соответствующие банки данных.
-
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на 27 конференциях и симпозиумах, в том числе 7 международных. Среди них: Научно-техническая конференция "Проблемы совершенствования технологии производства и получения химических волокон и нитей" (Мытищи, 1988 г.); Конференция "Методы исследования целлюлозы" (Рига, 1988 г.); Международная конференция по характеристикам пористой структуры твердых тел COPS-II (Аликанте, 1990 г.); Всесоюзная научная конференция "Проблемы модификации природных и синтетических полимеров" (Москва, 1991 г.); Научно-техническая конференция "Проблемы развития текстильной и легкой промышленности в современных условиях" «ПРОГРЕСС-92» (Иваново, 1992 г.); Международная конференция "Текстильная химия" (Иваново, 1992 г.); VIU-я Международная конференция "Производство и использование химических волокон" «FIBRICHEM-92» (Братислава, 1992 г.); Всероссийская научно-техническая конференция "Прочность и живучесть конструкций" (Вологда, 1993 г.); 2-й Международный конгресс АСНЕМА'94 (Франкфурт, 1994 г.); 6-й Европейский симпозиум ESTAC-6 (Градо, 1994 г.); Республиканская научно-техническая конференция «Лен-94» (Кострома, 1994 г.); Международная научно-техническая конференция «Прогресс-94» (Иваново, 1994 г.); 7-я Международная конференция по теоретическим вопросам адсорбции (Москва, 1994 г.).
9. Публикации. Научные выводы, сделанные в работе, нашли отра
жение в 102 публикациях (в том числе 1 брошюре и 53 статьях). Из них 33
работы напечатаны в зарубежных изданиях, 69 опубликованы после защи
ты кандидатской диссертации. Получены 2 авторских свидетельства, пода
ны 2 заявки на выдачу патентов на изобретения.
10. Объем работы. Диссертация состоит из: введения, 7 глав, заклю
чения, списка литературы (382 источника) и приложений. Содержит 38
таблиц, 87 рисунков. Общий объем - 575 с, из них основная текстовая
часть - 348 с.
