Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные свелзния по анизотропии строения и механических свойств материалов .
1.1 Анизотропия. Виды анизотропных материалов 9
1.2 Анизотропия свойств материалов как следствие анизотропии строения 11
1.3 Общие закономерности анизотропии свойств 13
1.4 Графическое представление анизотропии свойств. 21
1.5 Анизотропия свойств текстильных материалов.
1.5.1 . Анизотропия механических свойств волокон. 23
1.5.2 Аниз- гропия механических свойств полотен. 25
1.6 Деформационные свойства текстильных материалов при темпера турных воздействиях 29
1.7 Выводы и постановка задач исследований 37
Глава 2. Методическая часть
2.1 Характеристика и обоснование выбора объектов исследований 39
2.2 Обработка результатов исследования. 45
2.3 Выводы по второй главе. 47
Глава 3. Разработка метода исследования анизотропии деформационных свойств материалов при температурных воздействиях
3.1 Разработка установки и исследование деформационных свойств льняных материалов существующим термомеханическим методом 48
3.2 Разработка методики определения одноцикловых характеристик растяжения материалов при температурных воздействиях на основе усовершенствования термомеханического метода 52
3.3 Разработка метода оценки анизотропии деформационных свойств материалов при температурном и импульсном механическом воздействии 56
3.4 Выбор параметров испытаний при исследовании анизотропии деформационных свойств льняных материалов при температурных воздействиях - 61
3.5 Сравнительный анализ деформационной способности льняных тканей при ее оценке разработанным и термомеханическим методами 64
3.6 Выводы по третьей главе 74
Глава 4. Исследование анизотропии деформационных свойств льняных тка ней при температурных воздействиях
4.1 Оценка анизотропии деформационных свойств льняных тканей при температурных воздействиях и импульсном нагружении по разработанному методу - 75
4.2 Исследование влияния технологических факторов на анизотропию деформационных свойств льняных тканей 83
4.3 Выводы по четвертой главе 89
Глава 5. Исследование анизотропии деформационной способности пакетов одежды при температурных воздействиях .
5.1 Оценка анизотропии деформационной способности пакетов одежды из льняных тканей при температурных воздействиях 91
5.2 Исследование влияния составляющих пакета одежды на его деформационные свойства 99
5.3 Выводы по пятой главе 104
Глава 6. Прогнозирование деформационных свойств льняных тканей по характеристикам их строения 106
Глава 7. Разработка рекомендаций по проектированию тканей и швейных изделий 113
Общие выводы и рекомендации по работе 120
Список литературы 122
Приложения
- Анизотропия свойств материалов как следствие анизотропии строения
- Разработка методики определения одноцикловых характеристик растяжения материалов при температурных воздействиях на основе усовершенствования термомеханического метода
- Сравнительный анализ деформационной способности льняных тканей при ее оценке разработанным и термомеханическим методами
- Исследование влияния технологических факторов на анизотропию деформационных свойств льняных тканей
Введение к работе
Актуальность темы. На всех этапах швейного производства текстильные материалы проявляют деформационные свойства, особенно деформации растяжения, которыми определяются технологичность изготовления швейных изделий, а также возможность и условия обработки материалов в массовом производстве. Наиболее часто деформации растяжения текстильных материалов приводят к появлению дефектов в одежде. Для недопущения этих дефектов разрабатывают специальные приспособления к оборудованию или проводят дополнительные мероприятия по устранению. Деформации растяжения имеют положительное значение, когда являются технологическим эффектом проведения операций по изготовлению швейных изделий и подлежат оптимизации. Для увеличения податливости текстильных материалов к действию механической нагрузки их нагревают и увлажняют, что широко используется при влажно-тепловой обработке (ВТО) швейных изделий. На сегодняшний день доля тепловых обработок в технологическом процессе швейного производства достигает 25%. Существующие методы исследования деформационных свойств материалов ориентированы главным образом на стандартные климатические условия проведения испытаний. "Для льняных тканей изменение их деформационных свойств в технологических условиях остается малоизученным, что затрудняет проектирование изделий из льна, которое в настоящее время в основном осуществляется конструктивным путем - с помощью швов, вытачек, складок. Выбор другого способа формообразования - технологического, основанного на применении деформационных свойств материалов при ВТО, позволяет снижать трудоемкость изготовления изделий за счет замены длительных соединительных операций непосредственным формованием деталей одежды.
Изменять деформационные свойства материалов возможно, меняя направление растяжения, т.к. особенностью деформационных свойств тканей является анизотропия. Анизотропия - это неоднородность свойств в разных направлениях. Учет анизотропии деформационных свойств позволяет получать более экономичные раскладки при раскрое, уменьшает материалоемкость, а значит и себестоимость изделий.
Недостаток исследований и слабая изученность анизотропии деформационных свойств льняных тканей при температурных воздействиях привели к тому, что данные материалы не всегда рационально используется при изготовлении одежды. В связи с этим исследование и прогнозирование анизотропии деформационных свойств льняных тканей и пакетов материалов при температурных воздействиях являются актуальными и обусловлены тенденцией к созданию ресурсосберегающих технологий изготовления швейных изделий высокого качества из натуральных отечественных материалов.
Актуальность данной диссертационной работы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с программами научно - исследовательских работ Госкомвуза РФ: «Грант-98-19-4.0-5» - «Исследование, анализ и создание ресурсосберегающих технологий получения швейных изделий из льняных тканей с учетом особенностей их свойств»; «2.1 БФ 04» - «Разработка швейных изделий из льняных тканей с учетом свойств, исследуемых с применением новых методов оценки».
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка метода оценки и прогнозирование анизотропии деформационных свойств льняных тканей при температурных воздействиях. В соответствии с указанной целью в работе поставлены следующие задачи.
Разработать метод оценки деформационных свойств материалов при растяжении и их анизотропии, приближенный к реальным условиям производства и эксплуатации одежды.
Изучить анизотропию деформационных свойств льняных материалов при температурных воздействиях и других технологических факторов и на основании этого разработать рекомендации по проектированию швейных изделий.
Изучить взаимосвязь структуры и свойств материалов для разработки метода прогнозирования анизотропии деформационной способности льняных тка-ней при воздействии технологических факторов.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые: разработан метод оценки анизотропии деформационных свойств текстильных материалов и пакетов материалов при температурном и импульсном механическом воздействии, который приближает условия испытаний к условиям из-готовления и эксплуатации швейных изделий; усовершенствован метод термомеханических испытаний и разработано устройство для его осуществления и исследования различных текстильных материалов: нитей, тканей, полотен и пакетов материалов, новизна которого подтверждается патентом на полезную модель; проведены комплексные исследования деформационных свойств льняных тканей и пакетов материалов в различных условиях деформирования под действием различных факторов; предложен экспресс-метод прогнозирования анизотропии деформационных свойств льняных тканей при технологических воздействиях по характеристикам их строения, позволяющий разрабатывать рекомендации по проектированию тканей и швейных изделий.
Практическая зн?.чимость_работы состоит в следующем: разработанный метод оценки анизотропии деформационных свойств льняных тканей и пакетов одежды при температурном воздействии соответствует реальным производственным условиям изготовления швейных изделий и может быть распространен на все материалы для одежды, метод используется в учебных процессах КГТУ, ИГТА, ОГИС; полученные справочные данные об анизотропии деформационных свойств льняных тканей позволяют выбирать рациональный способ создания объемно -пространственной формы швейных изделий, направление раскроя для оптимального использования материалов при раскладке деталей одежды и применяются на швейных предприятиях гг. Костромы и Нерехты; разработанный метод прогнозирования деформационных свойств при растяжении и технологических воздействиях по характеристикам строения тканей дает возможность обоснованно выбирать материалы для швейных изделий и проектировать ткани с требуемыми деформационными свойствами.
Методы исследования. Обработка экспериментальных данных при исследовании анизотропии деформационных свойств льняных тканей осуществлялась на IBM PC с помощью пакетов прикладных программ в системах MATHCAD, EXCEL, STATGRAPHICS Plus и ORIGIN с применением методов математической статистики и корреляционно- регрессионного анализа.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и получили одобрение: на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» («Лен-2002», «Лен 2004»), КГТУ, 2002, 2004 гг.; на Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» («Прогресс-2004»), ИГТА, 2004 г.; на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Дни науки - 2004», Санкт-Петербург, 2004 г.; на межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ — производству», КГТУ, 2002 — 2005 гг.; на межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности», МГТУ, 2004 г.; на заседаниях кафедры технологии и материаловедения швейного производства КГТУ и на семинарах-чо материаловедению производств текстильной и легкой промышленности.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 13-ти печатных работах, включая патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав и общих выводов. Работа содержит 132 страницы, имеет 26 таблиц, 48 рисунков и 5 приложений.
Анизотропия свойств материалов как следствие анизотропии строения
Анизотропия свойств материалов является следствием анизотропии их макростроения и микроструктуры их составляющих. Свойства текстильных полотен в различных направлениях отличаются и зависят как от свсйств полимера, т.е. исходных волокон и нитей, так и от их расположения, определяемого строением материала.
Сложность оценки релаксационных и деформационных свойств текстильных материалов в условиях процесса изготовления одежды связана с тем, что полимер при этом находится в виде волокон, которые определенным способом соединены в пряжу, а из пряжи получена ткань. Известно, что деформационные свойства текстильных материалов определяются как видом и структурой самого полотна, так и полимерным составом волокон [6].
Деформация ткани с точки зрения их грубой структуры и формы ячеек изучались рядом исследователей [6-9, 10]. Ткань представляет собой сетчатую структуру, в которой нити основы и утка, пересекаясь под прямым углом, образуют ячейку в форме прямоугольника. При растяжении ткани ее деформирование наиболее существенно происходит в двух направлениях (вдоль основы и вдоль утка), независимо от того, является ли растяжение одноосным или двухосным. Это обусловлено взаимным влиянием основных и уточных нитей [11]. При растяжении в направлениях вдоль нитей, деформация в ткани может происходить за счет удлинения нитей. Удлинение тканей под действием сил, прикладываемых под различными углами относительно основы и утка, происходит главным образом вследствие изменения угла между взаимно перпендикулярными системами нитей, в результате которого прямоугольные ячейки тканей превращаются в параллелограммы. Одновременно диагональ ячейки получает отклонение в сторону действующей силы, стремясь в пределе совпасть с ней [12]. Таким образом, вид переплетения, плотность, характеристика основных и уточных нитей оказывают влияние на характер и величину деформации ткани.
При направлении растягивающего усилия вдоль нитей их деформация также зависит от текстильно структуры - крутки, числа сложений [11]. Структура нитей в значительной мере определяет их свойства и возможности использования и характеризуется размерами и формой структурных элементов, их взаимным расположением и свойствами. Необходимо иметь в виду, что структура нитей имеет много уровней. При анализе структуры нитей учитывается лишь первый уровень - волокна для пряжи, элементарные нити для комплексных нитей [13]. В нитях отдельные полимерные волокна имеют форму сложной пространственной кривой, упрощенно напоминающую винтовую линию. При нагружении в каждом волокне возникают нормальные (растягивающие вдоль оси) и касательные (направленные, как правило, к центру изделия) напряжения, зависящие от угла закручивания волокна, которое в свою очередь определяется диаметром нити и круткой. Это приводит к деформации растяжения волокна и распрямлению (раскручиванию) нити, что тоже в свою очередь способствует удлинению нити.
Одним из основных факторов, определяющих деформационные свойства полимеров, является их надмолекулярная структура, возникающая в результате различной укладки макромолекул. Для природной целлюлозы характерна фибриллярная структура, элементом которой являются микр о фибриллы. Микрофибриллы содержат НЄСКОГ-JKO сотен макромолекул, минимальный диаметр 60. ..80 10 м, длина достигает нескольких микрометров. Молекулы целлюлозы в первичных фибриллах образуют однородные кристаллические зоны, или кристаллиты, которые чередуются с аморфными зонами. Какой-либо четкой границы между областями не существует. Степень кристалличности макромолекул целлюлозы различна, у целлюлозы хлопковых волокон 50 - 70%, у льняных - 75 - 80%, что сказывается на из деформационных свойствах. Качество льноволокна во многом определяется его сортом, условиями его произрастания и переработки [14-16]. В процессе переработки степень кристалличности льноволокна изменяется [17-18]. Установлено, что в природной целлюлозе взаимодействие между макромолекулами осуществляется за счет межмолекулярных сил. Наличие водородных связей, возможность их разрыва и повторного образования является одним из основных факторов, определяющих ряд важнейших свойств целлюлозных материалов [19]. В аморфных областях, где расстояние между макромолекулами больше, проявляют себя более слабые силы Ван-дер-Ваальса. В природной целлюлозе все гидроксилы включены в водородные связи [20].
Стенка элементарного волокна условно делится на концентрические оболочки. Первичная стенка очень тонкая и в разрезе почти не видна. Вторичная стенка хорошо сформирована и состоит из внутреннего и внешнего слоев [21]. Следующий слой представляет собой третичную стенку, строение которой до конца не исследовано. Макрофибриллы в каждом слое расположены под определенным углом к оси волокна. Такое строение характерно для всех натуральных целлюлозных волокон,"хлопка [22], древесной клетки [23]. Установлено, что во внешнем слое вторичной оболочки льна целлюлозные фибриллы располагаются под углом 8-12 и имеют правое направление спирали, а во внутреннем слое - под углом 5 и левое направление спирали. Угол наклона фибрилл и степень их ориентации оказывают влияние на свойства волокон. Более высокая ориентация связана с меньшими удлинениями. Волокна с плоскими спиралями более эластичны, имеют более низкий модуль Юнга и более низкую прочность [24,25]. Таким образом, уже в самых малых построения целлюлозного волокна имеются элементы ориентации, что приводит к появлению анизотропии.
Все материалы до некоторых пределов нагружения являются упругими и подчиняются закону Гука [1]. При одноосном напряженном состоянии для изотропного материала (свойства которого одинаковы по всем направлениям) этот закон выражается формулой (1.1): где \i — коэффициент поперечной деформации (Пуансона); G — модуль сдвига; тху — касательное напряжение, действующее по площадкам с нормалью х параллельно оси у; у — угловые деформации.
Для анизотропных тел закон Гука имеет другой вид в связи z тем, что величина деформации зависит не только от величины действующих напряжений, но и от направления их действия в материале.
Разработка методики определения одноцикловых характеристик растяжения материалов при температурных воздействиях на основе усовершенствования термомеханического метода
Проведенные термомеханические исследования льняной ткани при напряжениях ОД; 1 и 10 МПа показали, что характер получаемых кривых для льняных материалов сходен с ТМК аморфно — кристаллического полимера. Однако особенностью льняных материалов являются высокое значение температуры стеклования Т 180-200С и отсутствие зоны текучести, выше Тст начинается разложение материала, что является характерным для целлюлозного материала (см. рис.3.4). Отсутствие зоны текучести приводит к тому, что целлюлозные материалы по сравнению с другими полимерами обладают низкими термодеформационными свойствами. Температура разложения льняных материалов - Тразл= 220-250С, но уже при температуре 140С (±20С) наблюдается необратимое изменение свойств — изменение цвета. Кроме того, для льняных материалов не характерно проявление самопроизвольной усадки, отрицательный характер деформации наблюдается на ТМК чистольняных тканей при их разрушении, а именно при спекании образцов. При повышении напряжения материала увеличивается их деформационная способность, а основные температуры релаксационных переходов смещаются в сторону уменьшения.
Термомеханический метод используется для исследования свойств новых материалов. Для традиционных целлюлозных материалов по методу ТМА возможно получение информации о величине полной деформации образца при заданной температуре и напряжении, о режимах температурных и влажностных воздействии при проектировании технологического процесса изготовления швейных изделий. 3.2 Разработка методики определения одноцикловых характеристик растяжения материалов при температурных воздействиях на основе усовершенствования термомеханического метода
Исследование деформационных свойств материалов при растяжении по термомеханическому методу не полностью отвечает задачам швейного производства, где необходима информация не только о полной деформации материала, но и о его пластичности. В связи с этим в классическую методику термомеханических испытаний были внесены изменения. Поскольку изменение темпе ратуры происходило непрерывно, по линейной программе с фиксированной скоростью, это позволило рассматривать координату температуры на термомеханической кривой (ТМК) как координату времени (рис.3.5).
ТМК при напряжении 10 МПа. Проводя термомеханические испытания до температуры, выше которой появляются необратимые изменения свойств материала (140С для льняных тканей), разгружая пробу и подвергая отдыху при климатических условиях, определяем составные части деформации, т.е. оцениваем пластичность материала (рис.3.6).
Разработанная методика оценки одноцикловых характеристик растяжения материалов при температурных воздействиях позволяет исследовать различные текстильные материалы: ткани, швейные нитки, трикотажные полотна, нетканые материалы, а также пакеты материалов при статическом характере приложения нагрузки. Для испытания используют образцы текстильных материалов, схемы которых представлены на рис, 3.7.
Для испытания берут не менее трех образцов. При данном объеме измерений относительная ошибка не превышает 5%,
Перед испытанием пробы кондиционируют. Эксперимент проводят на разработанной автоматизированной установке. Один конец пробы закрепляют в подвижный зажим, другой - в неподвижный. К зажиму крепят удлинительную штангу. Устанавливают пробу в термокамеру сверху, чтобы отверстие нагревателя оказалось плотно закрытым теплоизоляционной крышкой. Индуктивный датчик соединяют с удлинительной штангой. Запускают программное обеспечение на ЭВМ для проведения эксперимента. Пробу нагружают в процессе эксперимента для чего груз, создающий необходимое напряжение пробы крепят к
Сравнительный анализ деформационной способности льняных тканей при ее оценке разработанным и термомеханическим методами
Прогнозирование качества швейных изделий определяется не только де-формационными свойствами тканей, но и пакетов одежды. Как известно, швейное изделие состоит из разных текстильных материалов: основных, подкладочных, прокладочных и прикладных. Технологический процесс изготовления швейных изделий позволяет получить соединения этих материалов, т.е. пакеты одежды каким-либо из существующих способов соединения: ниточным, клеевым, сварным, механическим. Наибольшее распространение получили ниточный способ соединения пакетов одежды (75...80 %) и клеевой способ (20 %) [28]. Каждый материал, входящий в пакет, обладает своим определенным комплексом свойств, в том числе и характерными только ему деформационны-ми свойствами. Пакет одежды, образованный любым способом соединения, будет обладать новым комплексом свойств. Причем, свойства пакета могут повторять свойства исходных материалов, но их количественная величина может отличаться от количественных показателей составляющих пакета, или проявлять совершенно новые свойства, неприсущие исходным материалам. Такой эффект называется синергетическгш. Поэтому, очень важной задачей при кон-фекционировании материалов, т.е. при подборе составляющих пакета, является прогнозирование свойств системы, на основе известных свойств входящих в нее материалов, а именно прогнозирования термодеформационных свойств пакета на основе термодеформационных свойств его составляющих.
Проведены исследования анизотропии деформационных свойств однослойных пакетов одежды из льняных тканей, скрепленных ниточным способом, при температурном воздействии и импульсном нагружении, результаты пред ставлены в таблице 5.1. и на рисунке 5.1. В качестве скрепляющих материалов использовались армированные швейные нитки 35ЛЛ. Режимы ниточных соединений соответствуют требованиям НТД [95].
Анализ результатов показал, что полная деформация пакетов, выполненных вдоль нитей ткани, соответствует деформации ткани в том же направлении (рис.5.2, табл. 5.2). Кроме того, для пакетов одежды при термодеформировании вдоль нитей характерна большая доля остаточных деформаций (0,46), чем у тканей (0,35). Таблица 5.2 - Деформационная способность однослойных пакетов из чистольняных тканей при температурном воздействии и импульсном нагружении
Исследование влияния технологических факторов на анизотропию деформационных свойств льняных тканей
Разработана методика определения одноцикловых характеристик тканей и пакетов материалов при температурном воздействии, а также автоматизированная установка для ее реализации, новизна которой подтверждена патентом №48070 от 10 сентября 2005 г., позволяющая исследовать различные виды текстильных материалов.
Разработан новый метод оценки анизотропии деформационных свойств тканей и пакетов одежды при температурном воздействии и импульсном приложении нагрузки.
Определены показатели Деформационных свойств льняных тканей при растяжении и температурном воздействии, на основе которых установлено, что анизотропия деформационных свойств льняных тканей зависит от вида переплетения и условий деформирования: направления, величины и продолжительности действия нагрузки, а также увлажнения тканей. Аналитически описана анизотропия деформации льняных тканей различных переплетений при растяжении и температурном воздействии. Проведены исследования деформационных свойств пакетов льняных материалов при температурных воздействиях. Показано, что деформация пакета соответствует деформации тканей - при его изготовлении вдоль нитей и меньше деформации тканей — при условии его изготовления под углом к нитям ткани. Предложена математическая зависимость, позволяющая прогнозировать деформацию пакета по деформации тканей его составляющих. Разработан метод прогнозирования полной деформации и пластичности тканей вдоль основы и утка при термодеформировании и при ВТО по коэффициенту изогнутости нитей, позволяющий проектировать ткани с заданными деформационными свойствами.
Получена аналитическая зависимость деформации тканей при температурном воздействии и растяжении под углом 45 от коэффициента связности. На основе оценки деформационных свойств тканей при действии технологических и эксплуатационных факторов разработана градация льняных тканей по степени растяжимости. В зависимости от группы растяжимости предложены возможные способы формообразования деталей одежды. 9. Разработаны справочные сведения по анизотропии деформационных свойств льняных тканей при температурном воздействии, позволяющие выбирать оптимальное направление раскроя деталей швейных изделий для обеспечения рационального расхода материалов, и апробированы на ООО «Сфера», ЗАО «Мода», в салоне-ателье «Надежда» г. Костромы, ООО «Коллекция» г. Нерехты.
