Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей после воздействия светопогоды Никитина, Ольга Владимировна

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Никитина, Ольга Владимировна. Разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей после воздействия светопогоды : диссертация ... кандидата технических наук : 05.19.01 / Никитина Ольга Владимировна; [Место защиты: Моск. гос. текст. ун-т им. А.Н. Косыгина].- Москва, 2012.- 200 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/2456

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современные тенденции развития параарамидных нитей 9

1.1. Классификация параарамидных нитей 9

1.2. Свойства параарамидных нитей 17

1.1.1. Механические свойства 17

1.1.2. Термические свойства 24

1.1.3. Влияние влаги на механические свойства параарамидных нитей, сорбционные свойства 29

1.2.1. Влияние светопогоды на свойства параарамидных нитей 34

Выводы по главе 38

Глава 2. Исследование механических свойств параарамидных нитей 40

2.1. Характеристика объектов исследования 40

2.2. Методы определения основных свойств параарамидных нитей 41

2.3. Определение механических свойств параарамидных нитей 41

2.4. Определение гибкости параарамидных нитей 58

2.5. Разрыв параарамидных нитей в мокром состоянии 59

2.6. Определение стойкости к самоистиранию параарамидных нитей 62

2.7. Определение выносливости нитей при многократном изгибе 66

Выводы по главе 68

Глава 3. Определение стойкости нитей к воздействию естественной и искусственной светопогоды 70

З.1. Определение устойчивости параарамидных нитей к воздействию естественной инсоляции 72

3.1.1. Исследование изменения разрывной нагрузки и удлинения параарамидных нитей после естественной инсоляции 72

3.1.2. Влияние воздействия естественной светопогоды на работу разрыва нитей Русар 81

3.1.3. Исследование диаграмм растяжения нитей Русар после воздействия естественной светопогоды 84

3.1.4. Исследование влияния естественной светопогоды на механические свойства при разрыве нитей Русар петлей и в узле 84

3.2. Исследование свойств параарамидных нитей после воздействия искусственной светопогоды на приборе ПДС 91

3.2.1. Исследование изменения разрывной нагрузки и разрывного удлинения нитей после инсоляции на приборе ПДС 91

3.2.2. Влияние инсоляции на приборе ПДС на работу разрыва параарамидных нитей 101

3.2.3. Исследование диаграмм растяжения параарамидных нитей после воздействия светопогоды на приборе ПДС 105

3.2.4. Исследование влияния искусственной светопогоды на приборе ПДС на механические свойства при разрыве параарамидных нитей Русар петлей и в узле 112

3.3. Исследование свойств параарамидных нитей после воздействия искусственной светопогоды на приборе Ксенотест 116

3.3.1. Исследование изменения разрывной нагрузки и разрывного удлинения нитей Русар после инсоляции на приборе Ксенотест 117

3.3.2. Влияние воздействия светопогоды на приборе Ксенотест на изменение работы разрыва нитей Русар 122

3.3.3. Исследование диаграмм растяжения нитей Русар после инсоляции на приборе Ксенотест 122

3.3.4. Исследование влияния инсоляции на приборе Ксенотест на механические свойства при разрыве параарамидных нитей Русар петлей и в узле 126

3.3.5. Сравнение длиедльности воздействия естественных и искусственных условий инсоляции на механические свойства параарамидных нитей Русар 13 0

Выводы по главе 136

Глава 4. Комплексная оценка механических свойств параарамидных нитей Русар 138

4.1. Комплексная оценка механических свойств нитей Русар после естественной инсоляции 139

4.2. Комплексная оценка механических свойств нитей Русар после воздействия искусственной светопогоды на приборе НДС 152

4.3. Комплексная оценка механических свойств нитей Русар после воздействия светопогоды на приборе Ксенотест 161

Выводы по главе 169

Глава 5. Разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей после воздействия светопогоды 170

5.1. Прогнозирование разрывной нагрузки нитей Русар в зависимости от длительности воздействия естественной светопогоды 171

5.2. Прогнозирование разрывной нагрузки нитей в зависимости от длительности воздействия светопогоды на приборе НДС 177

5.3. Прогнозирование разрывной нагрузки нитей Русар в зависимости от длительности воздействия светопогоды на приборе Ксенотест 183

Выводы по главе 189

Общие выводы 190

Список использованных источников 192

Введение к работе

Актуальность работы

Актуальность работы обусловлена широким применением параарамид- ных нитей для изготовления высокопрочных канатов, жгутов, лент и тканей. При эксплуатации изделия из параарамидных нитей испытывают воздействие внешней среды, в том числе влажности, температуры, облучения, что снижает их эксплуатационную надежность. Изделия должны противостоять длительному воздействию неблагоприятных факторов с максимально возможным сохранением исходных механических свойств. Поэтому, изучение и прогнозирование механических свойств после воздействия светопогоды является актуальной задачей при исследовании параарамидных нитей.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей после воздействия естественной и искусственной светопогоды.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

  1. исследование механических свойств параарамидных нитей в сухом и мокром состоянии;

  2. исследование влияния длительного воздействия естественной и искусственной светопогоды на механические свойства параарамидных нитей;

  3. выявление соответствия времени воздействия естественных климатических условий и искусственной светопогоды на механические свойства параарамидных нитей;

  4. проведение комплексной оценки механических свойств нитей с учетом длительности воздействия светопогоды;

  5. разработка метода прогнозирования механических свойств пара- арамидных нитей в зависимости от длительности воздействия светопогоды и структурных характеристик образцов.

Методы исследования

В качестве теоретической основы в исследованиях использовалась теория подобия и анализа размерностей, а также численные методы прикладной математики и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартизованных методов в лабораторных условиях. Построение функциональных зависимостей осуществлялось методами корреляционно-регрессионного анализа на ЭВМ с помощью программ Microsoft Excel и MathCAD. Для обработки графических изображений применялась программа Photoshop.

Научная новизна работы

При проведении теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

  1. получены функциональные зависимости между механическими свойствами параарамидных нитей и длительностью воздействия естественной и искусственной светопогоды с различными источниками излучения;

  2. установлено соответствие времени воздействия естественной и искусственной светопогоды на параарамидные нити;

  3. предложен метод комплексной оценки механических свойств параара- мидных нитей с учетом длительности воздействия светопогоды;

  4. разработан метод прогнозирования разрывной нагрузки параарамидных нитей с использованием теории подобия и анализа размерностей в зависимости от длительности воздействия светопогоды и от структурных характеристик нитей.

Практическая значимость работы заключается:

  1. в оценке механических свойств параарамидных нитей российского и зарубежного производства;

  2. в получении аналитических зависимостей механических свойств параарамидных нитей от длительности воздействия естественной и искусственной светопогоды;

  3. в выявлении соответствия времени воздействия искусственной и естественной светопогоды на параарамидные нити;

  4. в получении математических моделей, позволяющих прогнозировать разрывную нагрузку параарамидных нитей Русар в зависимости от длительности воздействия светопогоды.

Результаты исследований могут быть использованы на текстильных предприятиях при проектировании параарамидных нитей, что позволит снизить потери при разработке нового ассортимента изделий.

Апробация работы

Основные результаты научных исследований докладывались и получили положительную оценку на:

    1. Пятой Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI», МГТУ, 2006;

    2. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2007)», 2007, ИГТА, Иваново;

    3. Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС - 2008)»;

    4. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2008)»;

    5. 63-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» посвященной 50-летию полета Ю.А.Гагарина в космос 18-22 апреля 2011 года, Кострома;

    6. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК -2011) 2011, Иваново;

    7. Заседании кафедры текстильного материаловедения МГТУ имени А.Н. Косыгина.

    Публикации

    По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

    Структура и объем работы

    Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа выполнена на 200 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 41 таблицу, список литературы включает 91 наименование.

    Влияние влаги на механические свойства параарамидных нитей, сорбционные свойства

    Химические нити с экстремальными свойствами в процессе получения, переработки и последующей эксплуатации находятся в контакте с различными растворителями, пластификаторами и непосредственно входят в прямой контакт с водными средами. Действие водных сред в основном заключается в диффузии их в нити и как следствие - в ослаблении связи между макромолекулами. Это, с одной стороны, приводит к ухудшению прочностных, диэлектрических показателей и ряда других свойств, а с другой - с увеличением гибкости макромолекулярных цепей при набухании, повышается деформа-тивность, так как снижается температура стеклования.

    Сорбция нитями влаги влияет на физико-механические и эксплуатационные свойства нитей и материалов на их основе [49]. В результате сорбции водяных паров происходят процессы пластификации, изменения структуры и свойств нитей, зависящие от их молекулярного строения, количества полярных функциональных групп и их доступности в аморфных областях структуры, а также от влияния внешних условий (температуры, парциального давления водяного пара, времени воздействия).

    Параарамидные нити содержат полярные функциональные группы, что определяет сорбцию влаги этими нитями и протекание структурных изменений в них при воздействии воды. Механизм проникновения водных сред в нити подробно исследован и описан в литературе [25, 50-57].

    Набухание нитей Армос в воде невелико: 15 - 16%. При этом их прочностные показатели изменяются незначительно - сохранение прочности составляет 85 - 90%. Эти изменения в значительной мере обратимы после высушивания. Довольно высокая устойчивость нитей Армос к действию микроорганизмов при длительном пребывании во влажном состоянии позволяет отнести его к биостойким материалам, что подтверждается данными, полученными в условиях Санкт-Петербурга в летний период [22, 47, 48] (рис. 1.4).

    В исследовании [56] найдены зависимости между изменением механических свойств нитей Терлон СБ, СВМ, тогилен, Лола в предельно увлажненном состоянии и структурными характеристиками образующих их волок-нообразующих полимеров, предложен метод прогнозирования изменения механических свойств нитей (прочности, удлинения при разрыве и модуля деформации) от количества поглощенной влаги. Разработаны методы, позволяющие оценить сохранность увлажненных нитей при отрицательных температурах.

    В работе [54] изучено состояние компонентов в системе параарамид -вода. Проведен сравнительный анализ процессов релаксации в параарамид-ных нитях технического назначения Русар, Кевлар и Технора в зависимости от величины сорбции. Показана корреляция результатов с надмолекулярной структурой полимеров и параметрами уравнения сорбции водяного пара.

    Проведено исследование влияния влаги на свойства полипропиленовых исходных нитей и готовых швейных ниток [55]. Нанесение влаги на полипропиленовые нити приводит к повышению их прочности в среднем на 8% и снижению удлинения за счет пластифицирующего воздействия влаги. Проведенные исследования показали возможность эксплуатации изделий из полипропилена, в частности мягкой тары, при транспортировке в различных погодных условиях. Русар и Армос относятся к нитям с ограниченной гигроскопичностью, меньшей, чем у нитей типа СВМ и существенно меньшей, чем у других нитей с полярной структурой, например, целлюлозных. Известно, что даже термообработанная нить СВМ способна поглощать большое количество воды - 14 - 16% при относительной влажности воздуха 95%. Сорбция влаги в атмосфере при нормальных условиях (относительная влажность воздуха 65% и температура 20С) для СВМ составляет 4 - 4,5% [2, 17]. В зависимости от условий получения, в частности термической обработки, гигроскопические свойства параарамидных нитей могут несколько варьироваться.

    Изучение набухания и изменения механических свойств при длительном действии влаги проводилось в работе [58]. Для оценки набухания нити Русар и Армос выдерживались в дистиллированной воде при 20С в течение заданных интервалов времени до установления постоянства массы нитей. Кинетические кривые набухания в воде по изменению массы изученных нитей (рис. 1.5.) имеют монотонно возрастающий характер, и в течение достаточно длительного времени набухание стремится к равновесному значению.

    Степень равновесного набухания нитей Армос и Русар составляет 14 -15%о. При набухании нитей происходит изменение механических свойств. Показатели этого изменения сведены в табл. 1.6.

    Длительное нарастание набухания нитей Армос и Русар в течение 30-40 и более суток до достижения равновесных значений, а также изменение механических свойств во времени указывает на протекание в них структурных изменений под действием воды.

    Изменения механических свойств нитей при длительном действии воды (в течение года), с промежуточными оценками в течение всего этого пе-риода (в относительных величинах к исходным значениям) показаны на рис. 1.6 и 1.7.

    Анализ полученных кинетических кривых показывает, что изменение механических свойств нитей во времени при длительном воздействии воды может быть разбито на два периода: первый период наиболее интенсивных изменений (в первые 100-150 ч.) и второй период, когда изменение прочностных характеристик при воздействии воды замедляется, а удлинение при разрыве проходит через максимум.

    Падение прочности после длительного воздействия воды для нитей Армос и Русар составляет не более 7-8%. Относительное изменение удлинения при разрыве после длительного действия воды имеет экстремум, при котором его относительное увеличение достигает 115-130%.

    Результаты проведенных исследований [58] свидетельствуют об ограниченном набухании в воде параарамидных нитей Армос и Русар, а также об их способности в значительной степени сохранять свои механические характеристики даже после длительного воздействия воды.

    Исследование влияния влаги на механические свойства параарамидных нитей также проведено в работе [47]. Прочность параарамидных нитей в мокром состоянии с учетом установления равновесной степени набухания снижается не более, чем на 10%. По потере прочности от большей к меньшей можно расположить нити в ряд: Русар, Тварон 1000, Тварон 2000, Кевлар 49, Технора Т200. Под действием влаги удлинение всех нитей увеличивается. Падение прочности и прирост удлинения при разрыве наблюдается вследствие проявления эффекта пластификации. Высушивание параарамидных нитей после выдерживания их в воде способствует значительному восстановлению разрывных характеристик. В работе также показано, что длительное выдерживание параарамидных нитей в воде сопровождается развитием микроорганизмов на их поверхности. Пластификация и деструкция снижают разрывные характеристики параарамидных нитей.

    Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют об ограниченном набухании в воде параарамидных нитей, а также об их способности в значительной степени сохранять свои механические характеристики даже после длительного воздействия воды.

    Исследование изменения разрывной нагрузки и разрывного удлинения нитей после инсоляции на приборе ПДС

    Основными критериями износостойкости после воздействия светопогоды на приборе дневного света являются изменения механических свойств текстильных материалов. Результаты определения разрывной нагрузки и разрывного удлинения исследуемых параарамидных нитей приведены в табл. 3.5. [74-78].

    Анализ данных табл. 3.5. показал, что наибольшее падение прочности и разрывного удлинения имеет нить Русар № 1 (свежесформованная), а наименьшее - высокопрочная нить Русар, что также наблюдается и при воздействии естественной светопогоды. Удлинение высокопрочной нити Русар (Русар №4) со временем инсоляции практически не меняется.

    На рис. 3.12-3.15 приведены зависимости относительных разрывных характеристик от времени воздействия светопогоды на приборе ПДС.

    Как видно из графиков, кинетика изменения относительной разрывной нагрузки и удлинения при разрыве параарамидных нитей после инсоляции на приборе ПДС носит убывающий характер и достаточно хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью

    У всех образцов с увеличением длительности инсоляции наблюдается снижение относительной разрывной нагрузки. Скорость падения прочности для каждого вида нитей разная. Самое сильное снижение разрывных характеристик при разрыве СВМ нитей - нить практически полностью разрушилась. У всех исследуемых нитей Тварон и Технора 200 наблюдается более плавное падение прочности. Только у нитей Кевлар за первые 6 часов инсоляции произошло резкое снижение разрывной нагрузки, по сравнению с дру 95 гими образцами ПФТА нитей. А удлинение нити Тварон 2000, напротив, изменяется очень резко, особенно в первые 6 часов. У Техноры же, в течение 6 часов практически удлинение не меняется, хотя затем от 6 до 12 часов происходит резкое падение удлинения с его последующим уменьшением. У нитей Терлон СБ наблюдается наиболее плавное изменение разрывных характеристик.

    После 6 часов воздействия искусственной светопогоды относительная разрывная нагрузка и разрывное удлинение всех исследуемых нитей снижаются наиболее резко. Относительная прочность нитей Тварон 2200 и Технора 200 до воздействия неблагоприятных факторов практически одинакова, но для Техноры 200 с увеличением времени инсоляции это значение изменяется в меньшей степени. Прочность исходной нити Тварон 2000 чуть ниже, чем у Тварон 2200, но в процессе инсоляции он сохранил больше первоначальной прочности, чем Тварон 2200 и меньше, чем Технора 200. По относительным разрывным характеристикам российская нить Терлон СБ показала высокую устойчивость к воздействию светопогоды. Свежесформованная нить Русар, обладая самой низкой относительной разрывной нагрузкой вначале, после полного цикла воздействия светопогоды также имеет самый низкий показатель прочности - всего 19 сН/текс. Нить СВМ, первоначально обладая высокими прочностными характеристиками, после 24 часов инсоляции приблизилась по значениям к свежесформованной нити Русар. Таким образом, воздействие светопогоды оказывает негативное влияние на механические свойства исследуемых нитей, что приводит к изменению свойств образцов.

    Наибольшее изменение свойств после 24 часов воздействия светопогоды наблюдается у свежесформованной нити (Русар №1) и составляет 23,9% от исходной относительной разрывной нагрузки и 27,7% от исходного разрывного удлинения. В результате опытов установлено, что термовытянутая нить (Русар №3) имеет наименьшее падение относительной разрывной нагрузки после 24 часов инсоляции - 68,0%, а относительного разрывного удлинения - 50,9%.

    В результате 24 часовой инсоляции на приборе ПДС нити СВМ практически полностью разрушились (осталось только 10,2% первоначальной прочности), в то время как нити ПФТА сохранили до 84% первоначальной прочности. Остаточное удлинение также самое низкое после инсоляции у нитей СВМ (8,3%) и Тварон 2000 (14,4%), а у нитей Тварон 2200 - 32,9%, у нити Русар с повышенными физико-механическими свойствами (Русар №4) самое высокое - 82,3%.

    По повышению устойчивости к инсоляции на приборе ПДС нити можно расположить в следующем порядке: СВМ, нити Русар, Терлон СБ, Тварон 1000, Тварон 2200, Кевлар, Тварон 2000, Тварон 2040, Технора Т200. Более устойчивыми к воздействию светопогоды оказались карбоциклические ароматические полиамиды.

    Комплексная оценка механических свойств нитей Русар после естественной инсоляции

    Для расчета комплексной оценки качества нитей Русар после воздействия светопогоды были выбраны следующие показатели качества:

    - Разрывная нагрузка нити при растяжении до разрыва, сН;

    - Разрывное удлинение, мм;

    - Разрывная нагрузка нити при разрыве петлей, сН;

    - Разрывная нагрузка при разрыве нити в узле, сН

    Разрывные характеристики исследуемых образцов после воздействия естественной инсоляции представлены в таблице 4.1.

    За базовые значения принимались исходные значения показателей качества, полученные до воздействия светопогоды на параарамидные нити Русар.

    Результаты расчета относительных показателей качества параарамид-ных нитей в зависимости от длительности естественной инсоляции приведены в таблице 4.2.

    Комплексная оценка проводилась путем сравнения площадей четырехугольников, состоящих из четырех прямоугольных треугольников, построенных для каждой нити, площадь которых можно рассчитать по формуле

    Результаты расчета площадей треугольников для каждой нити в зависимости от времени инсоляции приведены в таблице 4.3.

    При длительности воздействия от О до 3 месяцев на комплексную оценку в значительной степени оказывает влияние разрывная нагрузка при разрыве одиночной нити и разрывная нагрузка в петле. После 5 и 6 месяцев инсоляции наибольшее влияние на комплексную оценку для всех образцов кроме высокопрочной нити Русар (№4) оказывают все рассматриваемые показатели практически в равной степени. На комплексную оценку нити Русар с повышенными физико-механическими свойствами в большей степени влияет разрывное удлинение, так как четырехугольник становится более вытянутым в сторону указанного показателя.

    На рис. 4.8 приведена комплексная оценка параарамидных нитей в зависимости от длительности воздействия естественной светопогоды.

    После полного цикла естественной инсоляции наибольшую площадь имеет четырехугольник, соответствующий высокопрочной нити Русар. Поэтому, данный образец является лучшим по механическим свойствам после воздействия светопогоды. Худшими свойствами обладает свежесформован-ная нить Русар, площадь четырехугольника у которой является наименьшей.

    Прогнозирование разрывной нагрузки нитей Русар в зависимости от длительности воздействия светопогоды на приборе Ксенотест

    На разрывную нагрузку будут оказывать влияние следующие факторы:

    Ррг = П = f(Ppua,t3,T3,p,ad) (5.13)

    где Ррз - разрывная нагрузка нити после воздействия светопогоды на приборе Ксенотест, сН;

    Рр жх - разрывная нагрузка нити до воздействия светопогоды на приборе Ксенотест, сН;

    h - длительность воздействия светопогоды на приборе Ксенотест, ч;

    Т3 - линейная плотность нити после инсоляции на приборе Ксенотест, текс;

    р - плотность нити, кг/м ;

    t - время растяжения, с, = 20 с;

    d - диаметр филамента, мкм;

    / - зажимная длина, м.

    Применяя методы анализа размерностей функциональное соотношение (5.13) можно выразить через безразмерные комплексы:

    где щ - безразмерный показатель, характеризующий влияние длительности воздействия светопогоды на приборе Ксенотест на разрывную нагрузку нитей; щ - безразмерный показатель, характеризующий структурные характериситки образцов после воздействия светопогоды на приборе Ксенотест;

    В табл. 5.3. приведены исходные и расчетные значения разрывной нагрузки нитей.

    Для установления степени влияния каждого из указанных параметров находим зависимости (рис. 5.5 и 5.6):

    Пь = f(4) = 1,048бГ 061Гз (5.16)

    Таким образом, итоговая формула для расчета разрывной нагрузки па-раарамидных нитей Русар примет вид

    Отклонение расчетных значений от экспериментальных не превышает 4,81%. Полученная математическая модель позволяет прогнозировать с высокой степенью точности разрывную нагрузку параарамидных нитей в зависимости от длительности воздействия светопогоды на приборе Ксенотест и от структурных характеристик нитей Русар.

    Похожие диссертации на Разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей после воздействия светопогоды