Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структура и свойства высокорастяжимых эластомерныхнитей и компрессионных трикотажных изделий из них 9
1.1 Основные виды высокорастяжимых эластомерных нитей и области их применения 9
1.2 Механические свойства высокорастяжимых эластомерных нитей и методы их оценки 12
1.3 Ассортимент, свойства и технология изготовления компрессионных трикотажных изделий 16
1.3.1 Ассортимент медицинских компрессионных изделий 16
1.3.2 Свойства медицинских компрессионных изделий 16
1.3.3 Технология изготовления и проектирования медицинских компрессионных изделий 20
1.4 Механические свойства трикотажа и компрессионных трикотажных изделий 22
1.4.1 Диаграммы растяжения 23
1.4.2 Растяжимость 24
1.4.3 Релаксационные процессы 25
1.4.4 Восстановительные деформационные процессы 28
1.5 Количественное описание упруго-релаксационных свойств текстильных материалов 29
1.5.1 Классические модельные представления 29
1.5.2 Активирующее действие механической нагрузки 31
1.5.3 Аналитическое описание сложных процессов деформирования 32
1.5.4 Аналитическое описание релаксации усилия трикотажа 34
1.6 Проектирование компрессионных изделий 3 5
1.7 Постановка задачи 40
Глава 2. Объекты, Измерительные устройства и методы исследования 43
2.1 Образцы эластомерных нитей 43
2.2 Технология получения трикотажа из эластомерных нитей 45
2.3 Измерительные устройства 49
2.4 Подготовка образцов к испытаниям 53
Глава 3. Упругость эластомерных нитей и компрессионного трикотажа из них 51
3.1 Диаграммы растяжения эластомерных нитей 55
3.2 Диаграммы растяжения компрессионного трикотажа 58
3.3 Характеристики упругости нитей и трикотажа в 59 эксплуатационных условиях (в диапазоне до ~ 200 %)
3.4 Оценка растяжимости и восстановительных деформационных свойств исследуемых образцов кулирного трикотажа 64
Глава 4. Релаксация напряжений эластомерных нитей и компрессионного трикотажа, выработанного из этих нитей 69
4.1 Релаксация напряжения эластомерных нитей 70
4.2 Релаксация напряжения компрессионного трикотажа 78
Глава 5. Моделирование свойств компрессионного трикотажа 88
5.1 Разработка упрощенного метода количественного описания взаимосвязи давления, создаваемого изделием из компрессионного трикотажа, с характеристиками изделия 88
5.2 Оценка пригодности выработанного трикотажа в качестве компрессионных изделий 92
5.3 Проектирование компрессионных чулок из выработанного трикотажа 95
5.4 Программа для расчета геометрических характеристик 115 компрессионных изделий.
Основные результаты и выводы 120
Список использованных источников 121
- Механические свойства высокорастяжимых эластомерных нитей и методы их оценки
- Технология получения трикотажа из эластомерных нитей
- Диаграммы растяжения компрессионного трикотажа
- Релаксация напряжения компрессионного трикотажа
Введение к работе
Актуальность работы. В течение последних нескольких десятилетий применение высокорастяжимых текстильных материалов с использованием эластомерных нитей развивается быстрыми темпами. Закономерный интерес вызывает применение таких материалов в областях, связанных с производством компрессионных изделий медицинского назначения. Текстильные эластомерные изделия медицинского назначения используются: для профилактики и лечения варикозного расширения вен; для фиксирования опорно-двигательного аппарата; для изготовления перевязочных средств; для протезирования кровеносных сосудов; для ускорения постоперационной регенерации тканей и др.
Исследование релаксационных свойств подобных материалов приобретает особое значение для компрессионных изделий. Свойства этих материалов определяются лишь в рамках существующих стандартов, в которых механическая релаксация усилий не принимается во внимание, хотя у данных материалов релаксационные свойства проявляются достаточно сильно и поэтому должны учитываться при решении вопросов применения компрессионных изделий. При лечении различных видов заболеваний варикозного расширения вен необходимо, чтобы компрессионные изделия создавали требуемое постоянное давление в течение задаваемого периода времени. Однако давление не будет постоянным вследствие механической релаксации усилия в нитях.
Для эффективного использования эластомерных материалов требуется знание их упругих и релаксационных характеристик. Упругие характеристики материалов позволяют определить величину давления, создаваемого компрессионным изделием при его соответствующем растяжении. Поэтому, исследования упругих и релаксационных свойств эластомерных нитей и трикотажа на их основе является актуальными.
Проектирование компрессионных изделий требует установления соотношений между давлением, создаваемым изделием, размерами тела и жесткостью материала в условиях определенного диапазона растяжения. Для этой цели могут использоваться существующие методики достаточно сложной теории проектирования изделий компрессионного назначения. В то же время сохраняется потребность в формулировании более простых и удобных для использования методик. Разработка таких методик является актуальной задачей.
Работа выполнялась в рамках тематического плана министерства образования и науки РФ 2009 года «Лентек. 1.1.09. «Компьютерное моделирование, прогнозирование и методы исследования механических вязкоупругих свойств технического текстиля. Фундаментальные исследования»», а также в рамках грантов аналитической целевой ведомственной программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2009-2010гг.» 2.1.2/4466 «Развитие концепции создания комбинированных и многослойных структур на основе анизотропных волокнистых элементов и разработка
физических и биохимических методов оптимизации их функциональных свойств», 2.1.2/3270 «Разработка методов решения актуальных нелинейных задач механики мягких оболочек, армированных текстильными структурами».
Цель работы состояла в исследовании особенностей деформирования и моделировании упруго-релаксационных свойств высокорастяжимых эластомерных нитей и компрессионного трикотажа на их основе в диапазоне деформирования, характерном для эксплуатационных механических воздействий, а также в разработке эффективного и достаточно простого метода учета геометрических и механических характеристик объектов при проектировании изделий компрессионного назначения.
Основные задачи работы:
изучение деформационных и релаксационных свойств Еысокорастяжимых эластомерных нитей и компрессионного трикотажа на их основе при различных режимах нагружения, включая механические воздействия, близкие к условиям эксплуатации;
разработка методов количественного описания и прогнозирования упруго-релаксационных свойств высокорастяжимых эластомерных нитей и компрессионного трикотажа на их основе;
разработка расчетных методов, описывающих геометрические параметры компрессионного изделия в зависимости от требуемого давления, механических характеристик материала и геометрии объекта;
разработка методов проектирования компрессионных изделий с заданными свойствами;
разработка программного обеспечения методик расчета параметров компрессионных изделий, выработанных с проложенными эластомерными нитями.
Научная новизна работы.
Предложен метод описания и прогнозирования релаксации усилия напряженных эластомерных неоднородных нитей и трикотажа с этими проложенными нитями, основанный на линейно - логарифмическо-временной аппроксимации.
Получена математическая зависимость, связывающая диаметр компрессионного изделия цилиндрической формы с требуемым давлением, упругостью трикотажа, диаметром части тела (ноги).
Выполнено модельное проектирование компрессионных изделий трубчатой формы для задаваемых ГОСТами классов компрессии, при котором геометрия формы ноги аппроксимировалась усеченным конусом, при заданном линейном снижении давления, соответствующего снижению венозного давления вдоль ноги.
Разработано программное обеспечение для расчета геометрических характеристик компрессионных изделий.
Практическая значимость работы заключается в разработке методов прогнозирования процесса релаксации усилий высокорастяжимых эластомерных нитей и компрессионного трикотажа, выработанного из этих нитей и учета релаксации усилий в диапазоне деформирования, соответствующего различным эксплуатационным нагрузкам.
Разработанные программы расчета геометрических характеристик изделий могут быть использованы при решении как материаловедческих, так и технологических задач проектирования компрессионного трикотажа.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности» (Москва, 2008) и на 44-ом международном конгрессе трикотажников (С.-Петербург, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в числе которых 2 статьи в изданиях, входящих в «Перечень...» ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, выводы и список использованных источников из 120 наименований. Работа изложена на 132 страницах, содержит 45 рисунков и 36 таблиц.
Механические свойства высокорастяжимых эластомерных нитей и методы их оценки
Под механическими свойствами материалов понимают такие, которые определяют их отношение к действию различного рода приложенных к ним сил, под действием которых они деформируются [9,10]. При оценке механических свойств текстильных материалов существует большое количество методов испытаний, которые ставят своей целью оценку механических свойств изделий. Без экспериментальных результатов нет достаточной гарантии в качестве текстильных изделий и особенно тех, которые в своей конструкции содержат эластомерные нити. Для оценки свойств текстильных нитей, и особенно эластомерных, среди большого числа характеристик наиболее важными являются деформационные, так как они наиболее достоверно определяют стабильность и формоустойчивость материалов одежды, изготовленных на их основе. Эластомерные нити могут свободно деформироваться на сотни процентов и затем полностью восстанавливать свою форму. Такие характеристики как растяжимость и способность восстанавливать свои размеры после приложения нагрузки в процессе эксплуатации являются наиболее важными. Одним из наиболее распространенных способов определения механических характеристик нитей является получение диаграмм растяжения, которые представляют собой зависимость между деформацией и нагрузкой до разрушения нити в режиме деформирования с постоянной скоростью. Рассматривая полуцикловые разрывные механические характеристики нитей, необходимо, прежде всего, выделить следующие показатели [9]: - удельную разрывную нагрузку, отнесенную к линейной плотности нити, мН/текс: где Бф - фактическая разрывная нагрузка нити, мН; Тф - фактическая линейная плотность нити, текс; - относительное разрывное удлинение є, %: где 10 - начальная длина образца нити, мм; - напряжение при разрыве - отношение разрывной нагрузки к площади поперечного сечения нити а, МПа: где р - плотность вещества нити, г/см3. - начальный модуль упругости Е =—, МПа. (1.5) As Для эластомерных нитей дополнительно оцениваются следующие показатели [11] - удлинение при заданной нагрузке, которая отдельно выбирается для нитей различных линейных плотностей. После приложения данной нагрузки по истечении 30 секунд измеряется длина образца: где 12 - длина отрезка нити после 30-секундной нагрузки, мм; 1, - начальная длина отрезка нити, мм; - эластичное восстановление, которое заключается в определение изменения длины нити при деформации на 300% и отдыхе в течение 10 мин где L - увеличение длины при деформировании нити; 12 - длина отрезка нити после 10-минутного отдых, мм; lj - начальная длина отрезка нити, мм. Группа материалов, классифицируемая как эластомеры, в общем случае имеет достаточно сложное механическое поведение (рис. 1.3). Начальная часть диаграммы растяжения нити характеризуется малым значением начального модуля жесткости или малой деформационной жесткостью. При осевом растяжении деформационная жесткость увеличивается, что отчетливо видно в конечной части диаграммы растяжения эластомерной нити. На рисунке 1.4 приведены диаграммы растяжения неоднородной нити 3 и ее двух компонентов: эластомерного сердечника 1 и оплетки 2. В процессе обкручивания эластомерный стержневой компонент растягивается, поэтому обкрученная нить вследствие высокой упругости эластомерного сердечника имеет возможность сокращаться [8]. Еще одна важная особенность проявления механических свойств эластомерных нитей заключается в том, что эти свойства являются зависимыми от времени (упруго-релаксационными). Релаксационные процессы в текстильных материалах могут протекать при различных условиях. В связи с этим, необходимо детальное изучение процессов нагружения и последующих восстановительных процессов в широком диапазоне нагружения. Это также необходимо для решения задач по расчётному прогнозированию деформационных свойств, проявляющихся при более сложных режимах нагружения. Ползучесть и релаксация напряжений являются одними из видов проявления релаксационных явлений в текстильных материалах. При исследовании упруго-релаксационных свойств высокорастяжимых эластомерных нитей и компрессионного трикотажа одна из главных задач состоит в изучении процессов деформирования указанных материалов с учетом фактора времени, так как без этого нельзя проводить объективную оценку и прогнозирование свойств компрессионных изделий.
Технология получения трикотажа из эластомерных нитей
Для проведения исследований необходимо было выбрать наиболее подходящий вариант образцов из всего многообразия известных в настоящее время видов трикотажных полотен, отличающихся между собой видом используемого сырья, переплетения, видом применяемого оборудования, технологическим режимом изготовления и др. Трикотаж широко используется для различных изделий из-за его превосходной растяжимости и комфортности [98-100]. На производственной базе ООО «Бикан» были отвязаны образцы компрессионного трикотажа на базе кулирной глади с проложенными в каждом петельном ряду высокорастяжимыми нитями. Кулирная гладь была выработана из ПАН - пряжи линейной плотностью 25 текс, плотность вязания по горизонтали составила 70 пет/дм, а по вертикали 78 пет/дм. Трикотаж был выработан на кругловязальном чулочном автомате фирмы «Matec» (Италия), 9 класса (рисунок 2.1). Техническая характеристика автомата Mono - 4 приведена в таблице 2.2. Фирма «Matec», входящая в группу Сантони, является крупнейшим производителем оборудования для чулочно-носочного производства.
Для одноцилиндрового автомата Mono - 4 фирмы «Matec» была составлена программа управления процессом вязания чулочных изделий компрессионного назначения с прокладыванием эластомерной нити в петлеобразующих системах. Выработка изделий проводилась по технологии, приведенной в таблице 2.3. В комплекс показателей качества наработанных образцов были включены: растяжимость по ширине, остаточная деформация по ширине, разрывные характеристики, плотность по горизонтали и вертикали, поверхностная плотность трикотажа. В результате проведенных исследований разработаны рациональная структура трикотажа и режим вязания, включающий плотность вязания, линейную плотность нити грунта, скорость подачи эластомерной нити. Была наработана опытная партия образцов. Характеристики исследуемых образцов приведены в таблицах 2.4 и 2.5.
Вопросы, связанные с технологическим обеспечением качества и эффективности процессов вязания поперечновязанного трикотажа и проектированием технологических параметров трикотажных полотен и чулочно-носочных изделий, освещены в работах [101-104].
Для исследования механических свойств текстильных материалов необходимо измерять различные процессы деформирования, протекающие во времени. Основная сложность, возникающая при изучении деформационных свойств высокорастяжимых эластомерных нитей и компрессионного трикотажа заключается в малой величине нагрузок, для измерения которых требуются приборы высокой чувствительности.
В данной работе для исследования свойств нитей и трикотажа использовалась испытательная установка фирмы «INSTRON» модели 1122, предназначенная для проведения испытаний различных материалов на растяжение, сжатие и изгиб, а также для исследования релаксационных свойств материалов в указанных выше режимах. Основной прибор состоит из двух основных частей: нагружающей рамы 9 и электронного блока управления 1 (рисунок 2.2), который включает в себя: блок управления 2, систему измерения нагрузки 3, блок управления самописцем 4 и самописец с блоком привода ленты 5. Дополнительно имеется возможность вывода получаемых диаграмм на ЭВМ и их дальнейшая обработка. Нагружающая рама состоит из станины 6, на которой смонтирован узел нагружения, состоящий из траверсы 8, перемещающейся в вертикальном направлении вместе с силоизмерительным датчиком. Максимальное перемещение траверсы ограничивается при помощи ограничителя 7. При испытании на растяжение верхний зажим 11 крепится к датчику, а нижний зажим крепится к специальному приспособлению, смонтированному на основании рамы. Закрепление образцов в зажимах производится пневматически при помощи компрессора. Данный прибор позволяет варьировать скорость нагружения от 0,05 до 1000 мм/мин и диапазон нагрузок от 10"3Н до 5х 103Н.
Для определения компрессионных свойств трикотажных изделий используются различные устройства, способные не только измерять компрессионное давление в разных точках ноги, но также и рассчитывать давления в различных местах в зависимости от существующих норм. Среди упомянутых устройств наиболее интересным представляется устройство MST МК IV, производимое швейцарской фирмой "Salzmann group" [105]. Устройство состоит из блока для съема и обработки информации и манекенов ног различных размеров. Общий вид устройства показан на рисунке 2.3.
Принцип работы основан на том, что для измерения компрессионного давления на манекен ноги крепятся несколько датчиков, соответствующих определенным точкам измерения на ноге. После этого надевается компрессионное изделие и происходит измерение давления. Затем вся полученная информация выводится на экран компьютера. Общий вид программы для измерения компрессионного давления MST МК IV представлен на рисунках 2.4 и 2.5. Программа выводит информацию о компрессионном давлении в различных точках в мм.рт.ст., а также рассчитывает давление, обусловленное классом компрессии: 100% на уровне лодыжек, 70% - на уровне колена, 40% - на уровне бедра и в виде такого процентного соотношения выдает их на экран.
Диаграммы растяжения компрессионного трикотажа
Механические свойства эластомерных изделий в первую очередь определяются видом, количеством и способом расположения эластомерных нитей, а во вторую очередь - жесткостью грунтового переплетения. В этом случае необходимо характеризовать жесткость при растяжении и давлении эластомерного изделия на тело через характеристики эластомерных нитей. Упругие свойства трикотажа с эластомерными нитями определяются и способом прокладки нитей в трикотаже и количеством используемых нитей. В изучаемых образцах трикотажа эластомерная нить была проложена в каждый петельный ряд кулирной глади по принципу футерной, и поэтому при одноосном растяжении нитей происходило также одноосное растяжение трикотажа [4]. Технологические характеристики выработанного трикотажа приведены в табл. 2.2. В табл. 3.2 приведены разрывные характеристики трикотажа, а на рис.3.3 приведены диаграммы растяжения трех видов трикотажа вплоть до разрывных деформаций. Видно, что характер диаграмм растяжения трикотажа (рис.3.3) аналогичен диаграммам растяжения нитей. До значения деформации 200 % трикотаж растягивается при малых значениях усилия, а после значения деформации 250% начинается резкий рост усилия. Сравнение количественных характеристик диаграмм растяжения нитей и трикотажа показывает, что переход к резкому росту усилий у трикотажа и нитей происходит в одной области деформации 250 - 300 %. 3.3 Характеристики упругости нитей и трикотажа в эксплуатационных условиях (в диапазоне до 200 %) Одной из задач настоящей работы являлось измерение диаграмм растяжения ряда эластомерных нитей и трикотажа, выработанных из этих нитей, для определения модулей упругости нитей и трикотажа. Сравнение модулей нити и трикотажа покажет характер связи упругости трикотажа и упругости нитей. Рассмотрим упругую деформацию нитей и трикотажа в области растяжения до 200 %. Именно эта область растяжения (0 200%) для высокорастяжимых изделий компрессионного назначения, проложенных эластомерными нитями, отвечает условиям практического использования изделий.
Действительно, такие изделия, имеющие размеры меньшие, чем часть тела, требующая компрессии, растягиваются и надеваются на «больную» часть тела. Чтобы надетое изделие создавало нужное давление, оно должно быть достаточно сильно растянуто. Диапазон растяжения до 200 % является рационально приемлемым, и компрессионные изделия реально рассчитываются на такое растяжение. Исходя из основной задачи раздела - сравнения упругости эластомерных нитей и трикотажных полотен, проложенных этими нитями, диаграммы растяжения нитей и трикотажа были перестроены, и значения усилий приведены в пересчете на одну эластомерную нить. Для этого диаграммы растяжения нитей представлены не в мН/текс, а в Н/нить (рис. 3.4). 1 - нить латекс с полиамидной обкруткой, 2 - нить латекс с полиэфирной обкруткой, 3 - нить лайкра с полиамидной обкруткой Рисунок 3.4 - Диаграммы растяжения исследуемых нитей Диаграммы растяжения трикотажа также были перестроены: прикладываемое к образцам усилие делилось на число эластомерных нитей (на число петельных рядов), приходящееся на один образец (39 нитей на ширину образца, равную 5 см). На рис. 3.5 представлены начальные участки диаграмм растяжения нитей (сплошные линии) и трикотажа, проложенного этими нитями (штриховые линии). Таким образом, на рис. 3,5 на оси ординат обозначена нагрузка (усилие), отнесенная к одной нити в составе трикотажа. 2. Последовательность по нарастанию жесткости трикотажа такая же, как и для нитей: лайкра — латекс 0,28 мм — латекс 0,32 мм. 3. Жесткость трикотажа выше жесткости нитей. Жесткость образцов можно характеризовать наклоном прямых F-є, AF т.е. величиной J = Лє которая будет иметь размерность силы - Н. Напомним, что значения усилий на рис.3.5 для трикотажа даны в расчете на одну эластомерную нить. Таким образом, на рис.3.5 представлены усилия (FT) при растяжении нитей в составе трикотажа, и для сравнения с этими данными приведены значения усилий (FH) при растяжении нитей. Следовательно, наклоны JH As As можно сравнивать и судить о степени увеличения жесткости нити при включении ее в трикотаж по сравнению с одиночной нитью. г AF Отметим, что наклоны J=— являются аналогами модулей Юнга (Е = —, где а - растягивающее напряжение). Полученные из зависимостей As F-є на рис.3. 5 значения жесткости Jn и JT для нитей и трикотажа сведены в таблицу 3.3.
Релаксация напряжения компрессионного трикотажа
Строение эластомерных компрессионных изделий определяется технологией их изготовления и характеризуется способом расположения эластомерной нити в структуре трикотажа. В кулирную и производную гладь эластомерная нить ввязывается или прокладывается через ряд с хлопчатобумажной или синтетической пряжей различной линейной плотности, которую выбирают в зависимости от класса машины. Растяжимость кулирного трикотажа с эластомерными нитями почти всегда одинакова по длине и ширине и колеблется в пределах 80-150% в зависимости от геометрических параметров трикотажа. Проложенная эластомерная нить располагается в изделии рядами колец или многозаходной спиралью. Упругие свойства трикотажа определяются упругими свойствами нитей, из которых они изготовлены, несмотря на то, что их доля в материале сравнительно невысока 30 % от объема трикотажа, но именно они и определяют эксплуатационные (компрессионные) свойства изделий. Чаще всего эластомерная нить используется в сочетании с неэластомерными нитями. Рассматривая расположение эластомерных нитей в структуре трикотажа, выделяем тот случай, когда эластомерная нить, являясь как бы силовой конструкцией изделия, армирует вязаную оболочку. В вязаном эластомерном изделии невозможно провести четкую границу между двуосной и одноосной деформациями ввиду особенностей различных переплетений нитей. Как показано в [4] прокладывание эластомерных нитей приводит к условию одномерной деформации.
В процессе эксплуатации компрессионного эластомерного изделия происходит одноосное растяжение при различных значениях деформаций. Усилия, возникающие при этом, определяются величиной растяжения и упругими свойствами (модулем упругости) эластомерных нитей. Поэтому первым эксплуатационным требованием к трикотажу является обеспечение достаточного усилия при растяжении, что реализуется правильным выбором эластомерных нитей. Вторым важным требованием является, как отмечено выше, способность сохранять требуемые значения усилий в течение необходимого времени (часы, дни), т.е. достаточно умеренная релаксация усилия. Эта релаксация усилия в растянутом трикотаже в значительной мере должна определяться упруго-релаксационными свойствами эластомерных нитей. Поэтому изучение релаксационных свойств трикотажа должно опираться на данные по релаксационным свойствам нитей.
Задачей данного раздела являлось получение простых и удобных формул для описания и прогнозирования релаксации усилий трех вариантов высокорастяжимого трикотажа, характеристики которых приведены в табл. 3.2 (раздел 3).
Режим измерения релаксации усилий был следующий: стандартные образцы трикотажа шириной 50 мм растягивали при комнатной температуре на установке «Instronll22» до заданного уровня деформации є при скорости деформирования 500 мм/мин и базовой длине образцов 100 мм. Уровни деформации варьировались от 20 до 120 % (с шагом равным 20 %). После этого происходила релаксация усилий FE (t) при постоянной длине образца в течение 10 минут и производилась запись изменения усилий во времени. Уровень деформации 120 % отвечает эксплуатационным условиям для компрессионного трикотажа при лечении варикозного расширения вен 1 и 2 класса в соответствии с ГОСТ Р 51219-98.
На рис. 4.5- 4.7 приведены экспериментальные данные по релаксации усилий в изучаемых образцах в виде зависимостей FE(t) от lgt /1,. За время t, принимаем время, равное 0,1 мин после остановки растяжения образца до заданной деформации. Таким образом, на рис. 4.5 - 4.7 (сплошные линии) показаны экспериментальные кривые релаксации усилий.
