Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Износостойкость текстильных материалов 10
1.1. Основные факторы и критерии износа текстильных материалов 10
1.2. Методы моделирования изнашивания текстильных полотен 16
1.3. Износ текстильных полотен от действия света и светопогоды 28
1.3.1. Изменение воздухопроницаемости текстильных полотен под действием светопогоды 39
1.3.2. Изменение механических свойств текстильных полотен под действием светопогоды 47
Выводы по главе 54
Глава 2. Влияние светопогоды на физико-механические свойства тканей 56
2.1 Методы определения свойств тканей 56
2.2. Структурные характеристики исследуемых тканей 57
2.3. Физико-механические свойства исследуемых тканей после действия светопогоды 60
2.3.1. Исследование поверхности ткани после действия светопогоды 60
2.3.2. Механические свойства исследуемых тканей после действия светопогоды 64
2.3.3. Исследование стойкости к истиранию после действия светопогоды 70
2.3.4. Исследование воздухопроницаемости тканей после действия светопогоды 75
Выводы по главе 80
Глава 3. Прогнозирование разрывной нагрузки тканей после действия светопогоды 82
3.1. Прогнозирование разрывной нагрузки тканей без учета воокнистого состава последействия светопогоды 82
3.2. Прогнозирование разрывной нагрузки тканей с учетом волокнистого состава после действия светопогоды 92
Выводы по главе 103
Глава 4. Прогнозирование стойкости к истиранию тканей после действия светопогоды 106
4.1. Прогнозирование стойкости к истиранию тканей без учета волокнистого состава 106
4.2. Прогнозирование стойкости к истиранию тканей с учетом волокнистого состава 116
Выводы по главе 128
Глава 5. Прогнозирование воздухопроницаемости тканей после действия светопогоды 130
5.1. Прогнозирование воздухопроницаемости тканей без учета волокнистого состава 130
5.2. Прогнозирование воздухопроницаемости тканей с учетом волокнистого состава 137
Выводы по главе 144
Общие выводы 146
Литература 148
- Методы моделирования изнашивания текстильных полотен
- Физико-механические свойства исследуемых тканей после действия светопогоды
- Прогнозирование разрывной нагрузки тканей с учетом волокнистого состава после действия светопогоды
- Прогнозирование стойкости к истиранию тканей с учетом волокнистого состава
Введение к работе
Современный этап развития общественного производства характеризуется не только высокими темпами роста количества выпускаемой продукции, но и повышением её качества. При выпуске текстильных материалов и изделий, особая роль отводится сохранению качества, которым характеризуется данное новое изделие в процессе эксплуатации. Для решения этой задачи необходимы широкие исследования, связанные с изучением основных факторов, влияющих на изменение основных показателей, определяющих как отдельные свойства, так и качество изделия в целом.
В связи с ростом производства химических волокон перед текстильщиками стоит ответственная задача - наиболее эффективно использовать различные виды химических волокон, создавать наиболее рациональные с точки зрения долговечности и гигиены виды новых тканей гражданского и специального назначения. Использование химических волокон позволило не только расширить ассортимент тканей для ведомственной одежды, но и придать им новые свойства. Специфические условия эксплуатации ведомственной одежды выдвигают высокие требования к свойствам тканей, т.к. ткани для ведомственной одежды иногда не полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям по многим показателям, и, в первую очередь, по износоустойчивости и внешнему виду под влиянием факторов внешней среды: влаги, ветра, высоких и низких температур. В холодное время года, сопровождающееся снегопадами, когда затрудняются условия работы, предусматривается чередование работы человека на холоде и пребывании в производственном помещении, поэтому правильно подобранные ткани для одежды дают возможность сохранить здоровье и работоспособность человека в различных климатических и производственных условиях. Следовательно, возникла необходимость в широком изучении свойств тканей в различных условиях эксплуатации.
5 Вопросы проектирования и прогнозирования тканей новых структур
невозможно решать без знания того, какое влияние оказывает волокнистый состав смески на физико-механические свойства тканей, влияние процентного содержания. Сложность решения поставленных задач обусловлена тем, что в процессе эксплуатации должны учитываться не только первоначальные свойства, но и их изменения под воздействием различных факторов, в том числе и светопогоды.
Возможность такого анализа и выбора системы определяющих параметров дает теория подобия и анализа размерности. Она может быть приложена к рассмотрению весьма сложных явлений и значительно облегчает обработку экспериментов.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Конкурентоспособность текстильной продукции обеспечивается широким ассортиментом, низкой себестоимостью, а также выпуском тканей с заданными структурными и физико-механическими свойствами. Поскольку качество тканей проявляется через эксплуатационные свойства, глубокое изучение их зависимости от структуры ткани, сырьевого состава и условий эксплуатации представляет практический и теоретический интерес, так как отсутствуют научно-обоснованные методы регулирования эксплуатационных свойств тканей. Это особенно важно для тканей ведомственного назначения, так как они должны защищать тело человека от различных негативных факторов внешней среды. Однако на интенсивность изменения свойств в процессе эксплуатации изделий влияет не только длительность воздействий, но и волокнистый состав тканей. В связи с этим возможность прогнозирования эксплуатационных свойств тканей ведомственного назначения при минимальных сырьевых и-трудовых затратах является актуальной задачей.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка методов прогнозирования физико-механических свойств тканей после действия светопого-ды.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
анализ факторов, оказывающих наибольшее влияние на износостойкость тканей под действием светопогоды;
изучение и сопоставление процесса износа тканей в лабораторных условиях и в естественных природных условиях;
разработка методов прогнозирования физико-механических свойств в зависимости от параметров строения, длительности действия естественной
7 и искусственной светопогоды, а также процентного содержания химических волокон в тканях ведомственного назначения;
- получение математических зависимостей, устанавливающих взаимосвязь
между параметрами строения и свойствами исследуемых тканей с учетом
их волокнистого состава.
Методы исследования
Методика исследований включает в себя теоретические и экспериментальные исследования. В качестве теоретической основы в исследованиях использовалась теория подобия и анализа размерностей. В работе также применялись численные методы прикладной математики и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартизованных методов в лабораторных условиях и естественных природных условиях. Построение функциональных зависимостей осуществлялось методами корреляционно-регрессионного анализа на ЭВМ с помощью программ Microsoft Excel и MathCAD. Для обработки графических изображений применялись программы Photoshop и Corel Draw.
Научная новизна работы
При проведении теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:
получены функциональные зависимости между параметрами строения тканей, процентным содержанием химических волокон и длительностью действия естественной и искусственной светопогоды;
разработаны методы прогнозирования физико-механических свойств с использованием теории подобия и анализа размерностей в зависимости от параметров строения, с учетом длительности действия естественной и искусственной светопогоды и волокнистого состава тканей;
установлены эмпирические зависимости разрывной нагрузки тканей различного процентного содержания натуральных и химических волокон в
8 зависимости от параметров строения, длительности действия естественной и искусственной светопогоды;
установлены эмпирические зависимости стойкости к истиранию тканей в зависимости от параметров строения, длительности действия естественной и искусственной светопогоды и волокнистого состава;
установлены эмпирические зависимости воздухопроницаемости тканей в зависимости от процентного вложения химических волокон, параметров строения, длительности действия естественной и искусственной светопогоды.
Практическая значимость работы заключается в
оценке изменения физико-механических свойств тканей под действием естественной и искусственной светопогоды;
создании методов прогнозирования физико-механических свойств в зависимости от параметров строения, длительности действия естественной и искусственной светопогоды, а также процентного содержания химических волокон в тканях, что позволяет прогнозировать свойства, исходя из первоначальных свойств образцов;
получении зависимостей физико-механических свойств тканей от длительности действия естественной и искусственной светопогоды;
Апробация работы
Основные результаты научных исследований докладывались и получили положительную оценку на
Всероссийской научно-технической конференции «Техтекстиль» (2004, 2005, 2006), Димитровград, ДИТУД.
Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль» (2004, 2006), МГТУ им. А. Н. Косыгина.
Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые учёные - развитию лёгкой и текстильной промышленности» (ПОИСК-2005), Иваново, ИГТА.
Х-й международной научно-практической конференции «Наука - сервису. Новые материалы и технологические процессы на предприятиях сервиса» (2005), Москва, ГОУВПО «МГУС».
Международной научной конференции «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» (2005), Витебск, ВГТУ.
Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Дни науки-2005», С.-Петербург.
Научно-практической конференции аспирантов университета на иностранных языках (2005), МГТУ им. А.Н.Косыгина.
Заседании кафедры текстильного материаловедения МГТУ им. А.Н. Косыгина.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа выполнена на 157 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 108 наименований.
Методы моделирования изнашивания текстильных полотен
Поскольку процесс использования большинства тканей и изделий из них протекает во времени, возникает необходимость сохранения присущих данной ткани функциональных и эстетических свойств в течение всего срока эксплуатации. Способность тканей сохранять свойства в процессе использования определяется их надежностью.
Из совокупности свойств, объединяемых понятием «надежность», применительно к тканям наиболее существенными являются сохраняемость и долговечность.
Вопросам повышения надежности (износостойкости) тканей уделяется большое внимание. Это выражается, прежде всего, в улучшении волокнистого состава и оптимизации строения вновь создаваемых тканей, а также в интенсивной разработке методов количественного измерения отдельных свойств тканей, обеспечивающих надежность (методы и приборы для определения разрывных характеристик, устойчивости к истиранию, многократным деформациям изгиба и растяжения и др.), в нахождении кинетических характеристик отдельных свойств тканей при лабораторном моделировании изнашивания тканей и в процессе проведения опытной эксплуатации изделий из них [41,42].
Изнашивание может протекать как при эксплуатации, так и в условиях транспортирования от места производства до места потребления данной ткани или изделия из неё, а также при хранении на складах торговых предприятий. Изнашивание происходит под действием факторов эксплуатации и внешней среды: температуры, влажности воздуха, газового состава атмосферы, света и др.
При изучении носкости ткани известны два методических подхода [43]. 1. Организация и проведение опытных носок.
В этом случае шьётся большое количество изделий, которые выдаются отдельным носчикам. В процессе носки производится периодический осмотр этих изделий, на основе которого даётся заключение о преимуществах и недостатках той или иной ткани. Несмотря на то, что этот метод позволяет оценивать ткань в реальных, жизненных условиях, он имеет и очень серьёзные недостатки:
Большая стоимость эксперимента, связанная с тем, что для получения результата приходится расходовать до нескольких сот метров исследуемой ткани.
Чрезмерная длительность анализа, т.к. изделие в носке может находиться от нескольких месяцев до нескольких лет. А в настоящее время, когда стремительно развивается производство новых видов текстильных материалов, когда в течение одного года появляется несколько видов новых волокон, а также ускоренного совершенствования технологии переработки этих волокон в ткань, этот метод может явиться своеобразным тормозом развития текстильной промышленности.
Малая объективность ввиду применения визуальных методов оценки ношенных изделий. Опытные носки проводятся обычно с участием носчиков, имеющих ограниченную область эксплуатации изделий, как в территориальном (учреждение, производственный участок и т.д.) так и в географическом отношении (какой-то город страны). Это фактически делает условным распространение полученных выводов по носкости тканей.
Большая сложность в подборе идентичных носчиков, результатом чего является небольшое их число, что делает анализ статистически мало достоверным.
Так, например, в работе Зайцевой Л.В. [41] для получения данных о среднем сроке службы изделий в эксплуатации была проведена опытная носка 165 костюмов школьной формы. За критерий износа тканей в эксплуатации было принято появление сквозных разрушений (дыр) в местах плоскостного износа (область коленей, сидения, верхней части шаговых швов, локтей) в 50% изделий от всей партии, испытывавшейся в опытной носке. Для определения срока службы изделий в течение двухлетней носки (два учебных года) периодически (через каждые 50 дней) проводились их осмотры, на которых фиксировалось количество изделий с разрушениями в местах плоскостного износа и определялась их доля от общего количества. Были построены гистограммы разрушения изделий в эксплуатации. С помощью критерия %2 оценивалась степень близости эмпирического распределения к нормальному. Было найдено, что при эксплуатации распределение изделий с разрушениями во времени с высокой точностью можно описать нормальным законом. Это дало возможность применить для определения среднего срока службы вероятностную сетку ординат, в которой интегральная кривая имеет вид прямой и точка пересечения этой прямой с осью 0,5 (или 50%) соответствует среднему сроку службы, что изображено на рис. 1.1.
Физико-механические свойства исследуемых тканей после действия светопогоды
Текстильные материалы, в частности ткани, являются пористыми телами, т.е. телами, содержащими в своей волокнистой массе поры, заполненные воздухом [12]. В процессе эксплуатации на одежду воздействует многообразный комплекс факторов окружающей среды: влага, ветер, высокие и низкие температуры, атмосферное давление, а также и производственный микроклимат: загазованность, запыленность, химическое загрязнение, объединенных общим термином «светопогода» [13-15].
Исследуемые образцы подвергались действию светопогоды в течении 12 часов на приборе ПДС в соответствии с ГОСТ 10793-64 [99] и действию погоды в естественных условиях в течение 208 суток. В процессе воздействия светопогоды происходит изменение структуры и поверхности тканей для исследования которых использовался компьютерный оптический микроскоп «Intel Play QX3».
В качестве примера изменения поверхности образцов полиэфирной ткани ведомственного назначения после светопогоды в таблице 2.3 приведены фотографии полиэфирной ткани арт. 05с8кв, в таблице 2.4 представлены фотографии смешанной ткани , 8с119кв, а также нити, используемые для её производства (таблица 2.5).
В результате исследований было выявлено, что после действия светопогоды не происходит деформации рисунка переплетения тканей, так как механическое воздействие на исследуемые образцы отсутствует. При действии светопогоды на образцы тканей происходит набухание хлопковых волокон, так как влажно-тепловое воздействие создает условия для увеличения их линейной плотности. Полиэфирные нити также набухают, но в меньшей степени.
Из таблиц 2.4 - 2.5 видно, что с увеличением длительности воздействия светопогоды ворсистость пряжи увеличивается. При увеличении образцов в 60 раз видно, что при воздействии светопогоды увеличивается плотность тканей, как по основе, так и по утку, причем наибольшее изменение происходит по направлению утка, состоящего из хлопко - полиэфирной пряжи.
Для тканей ведомственного назначения механические свойства имеют большое значение, т.к. одежда в процессе эксплуатации должна защищать тело человека от механических повреждений, предохранять кожу от порезов, проколов и т.д. Разрывные характеристики текстильных полотен определялись в соответствии с ГОСТ 3813—72 «Материалы текстильные. Ткани и штучные изделия. Методы определения разрывных характеристик при растяжении» [105]. Испытания тканей проводились на универсальной испытательной системе «Инстрон» серии 4411 при скорости движения верхнего зажима 150 мм/мин и расстоянии между зажимами - 100мм. Ширина образцов составляла 50мм.
В таблицах 2.6 - 2.7 и на рисунках 2.1 - 2.2 приведены результаты испытаний тканей ведомственного назначения после действия естественной и искусственной светопогоды. где Qi - разрывная нагрузка тканей, не подвергавшихся воздействиям, Н; Q2 - разрывная нагрузка тканей после действия светопогоды, Н.
В соответствии с данными табл. 2.6 - 2.7, в результате действия светопогоды происходит изменение разрывной нагрузки тканей, причем наибольшее падение прочности наблюдается по направлению утка.
Можно отметить, что наибольшее изменение прочности среди полиэфирных тканей (таблица 2.6) происходит у образца арт. 05с8кв (по направлению основы - 20% после действия естественной светопогоды и 23% после действия искусственной светопогоды, а по утку - 24%) после действия естественной светопогоды и 25%) после действия искусственной светопогоды). Среди смешанных тканей (таблица 2.7) наибольшее падение разрывной нагрузки отмечается у ткани арт. 8с119кв, состоящей из 25%) полиэфира и 75% хлопка. Падение прочности составило по направлению основы - 31%) после действия естественной светопогоды и 33%) после действия искусственной светопогоды, а по утку - 43% после действия естественной светопогоды и 46% после действия искусственной светопогоды. Наименьшее изменение разрывной нагрузки отмечается у ткани арт. 8с101кв, выработанной из 100% полиэфира. Падение прочности составило по направлению основы - 20% после действия естественной светопогоды и 23%) после действия искусственной светопогоды, а по утку - 23% после действия естественной светопогоды и 26%) после действия искусственной светопогоды.
Уменьшение разрывной нагрузки образцов связано, прежде всего, с деструкцией полимеров под действием света, влаги и температуры при влиянии как естественной, так и искусственной светопогоды. Причем действие искусственной светопогоды вызывает более значительное падение прочности исследуемых тканей.
Как видно из графиков, приведенных на рисунках 2.1 - 2.2, зависимость разрывной нагрузки тканей ведомственного назначения от длительности воздействия светопогоды с высокой степенью точности определяется линейной функцией следующего вида: где у - разрывная нагрузка, Н; х - длительность действия светопогоды, сутки или часы; a, b - расчетные коэффициенты. Используя зависимости разрывной нагрузки тканей ведомственного назначения от длительности действия искусственной и естественной светопогоды (на рисунках 2.1 - 2.2) можно определить необходимое время испытаний, как в естественных природных условиях, так и соответствующее им время на приборе дневного света ПДС.
Прогнозирование разрывной нагрузки тканей с учетом волокнистого состава после действия светопогоды
На степень разрушения тканей при воздействии факторов внешней среды оказывает влияние множество факторов, среди которых длительность воздействия и параметры строения образцов. Однако наряду с этим на свойства тканей оказывает влияние и волокнистый состав, определяющий интенсивность износа. В качестве основных факторов, влияющих на разрывную нагрузку QEcn (Ы) ткани выберем Представим зависимость (3.12) в виде комплекса безразмерных показателей: где п - волокнистый состав ткани, %; г - безразмерный показатель, характеризующий изменение разрывной нагрузки тканей после действия светопогоды. При трех комплексах, оказывающих влияние на разрывную нагрузку тканей после действия светопогоды, формула для расчета г) примет вид где г) і - безразмерный показатель, характеризующий влияние факторов светопогоды; г2- безразмерный показатель, характеризующий процентное содержание полиэфира в ткани; гз- безразмерный показатель, характеризующий структурные характеристики тканей. В таблице 3.3 приведены результаты расчета разрывной нагрузки смешанных тканей ведомственного назначения после действия естественной светопогоды.
Зависимость прочности образцов от длительности действия светопогоды тії определяется линейной функцией (рис. 3.5) Зависимость разрывной нагрузки тканей от процентного содержания полиэфира г2 примет вид (рис. 3.6) 149,300-п-62,577 г Зависимость прочности от параметров строения образцов г)3 можно представить в виде функции (рис. 3.7) Таким образом, формула для расчета разрывной нагрузки смешанных тканей ведомственного назначения после действия естественной светопогоды, примет окончательный вид Применяя разработанный на основе теории подобия и анализа размерностей метод, получим формулу для расчета прочности смешанных тканей ведомственного назначения, подвергавшихся действию искусственной свето-погоды. Основные факторы, оказывающие влияние на разрывную нагрузку Qncn (Н) ткани, подвергавшейся действию искусственной светопогоды, являются такими же, что и при действии естественной светопогоды где t - длительность действия светопогоды, часы. Представим функцию (3.19) в виде комплекса безразмерных показателей. В табл. 3.4 приведены результаты расчета прочности смешанных тканей ведомственного назначения, подвергавшихся действию искусственной светопогоды. Зависимость для г\х определяется линейной функцией (рисунок 3.8) Зависимость для безразмерного комплекса г2 имеет вид (рисунок 3.9) Зависимость для безразмерного комплекса т3 определяется функцией (рис. 3.10). Таким образом, полученные формулы (3.18) и (3.24), позволяют с высокой степенью точности прогнозировать прочность смешанных тканей ведомственного назначения после действия естественной и искусственной светопо-годы с учетом волокнистого состава образцов. Выводы по главе 1. Основными факторами, оказывающими влияние на разрывную нагрузку тканей, являются длительность действия светопогоды, процентное содержание полиэфира, линейная плотность нитей, а также плотность ткани. 2. Определена формула для расчета разрывной нагрузки полиэфирных тканей.
Прогнозирование стойкости к истиранию тканей с учетом волокнистого состава
Для специальной одежды применяются ткани ведомственного назначения, которые вырабатываются различным волокнистым составом, что оказывает влияние не только на исходные свойства изделий, но и на их изменение в процессе эксплуатации. Наряду с вышеприведенными факторами на стойкость к истиранию ИЕСП (ЦИКЛЫ) ткани, подвергавшейся действию естественной светопогоды, влияет также волокнистый состав. В этом случае получим следующую функциональную зависимость: где п - содержание полиэфира, %.
В соответствии с теорией подобия и анализа размерностей представим зависимость (4.13) в виде комплекса безразмерных показателей: где г - безразмерный показатель, характеризующий изменение стойкости к истиранию тканей после действия светопогоды. Формула для расчета г) с учетом трех комплексов, оказывающих влияние на стойкость к истиранию смешанных тканей, примет вид где г) і - безразмерный показатель, характеризующий влияние факторов светопогоды; г) 2- безразмерный показатель, характеризующий содержание полиэфирного волокна в ткани; гз- безразмерный показатель, характеризующий структурные характеристики тканей. В таблице 4.3 представлены результаты расчета стойкости к истиранию смешанных тканей ведомственного назначения после действия естественной светопогоды. Для исследуемых тканей зависимость стойкости к истиранию образцов от длительности действия светопогоды г)! определяется линейной функцией (рисунок 4.5) Зависимость стойкости к истиранию образцов от процентного содержания полиэфира т)2 имеет вид (рис. 4.6) Зависимость стойкости к истиранию образцов от параметров строения образцов гз представлена функцией (рисунок 4.7) +6,267 В соответствии с формулой (4.15), формула для расчета стойкости к истиранию смешанных тканей ведомственного назначения после действия естественной светопогоды, примет окончательный вид 1. В процессе исследований было рассмотрено влияние на стойкость к истиранию таких факторов, как длительность действия светопогоды, процентное содержание натуральных и химических волокон, линейная плотность нитей, а также плотность ткани по основе и утку.
2. Установленные математические зависимости позволяют прогнозировать износостойкость тканей в зависимости от длительности действия светопогоды, процентного содержания полиэфира и параметров строения образцов. 3. Получены формулы для расчета стойкости к истиранию полиэфирных тканей для одинакового волокнистого состава.
