Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Ассортимент льняных материалов 10
1.2. Особенности структуры и свойств льняных волокон и полотен из них 12
1.3. Влияние влаги на изменение свойств льняных текстильных материалов 19
1.4. Свойства текстильных материалов с содержанием льна
1.4.1. Гигроскопические свойства 21
1.4.2. Изменение линейных размеров материалов 29
1.4.3. Жесткость при изгибе тканей и коррелируемые с ней свойства 35
1.5. Выводы из обзора литературы и постановка задач исследования 41
Глава 2. Методическая часть
2.1. Характеристика объектов исследования 43
2.2. Существующие методы оценки основных свойств
2.2.1. Гигроскопические свойства 48
2.2.2. Набухание (водопоглощение) 49
2.2.3. Разрывные характеристики 50
2.2.4. Жесткость при изгибе тканей 50
2.2.5. Усадка 51
2.3. Разработка усовершенствованных методов оценки основных свойств льняных текстильных материалов
2.3.1. Методика оценки кинетики и равновесной степени набухания текстильных материалов в воде 51
2.3.2. Методика оценки изменений жесткости при изгибе тканей в процессе термовлажностных воздействий 52
2.3. Обработка результатов испытаний 56
2.4. Выводы по второй главе 57
Глава 3. Исследование гигроскопических свойств и изменений разрывных характеристик льняных текстильных материалов при действии влаги
3.1. Гигроскопические свойств 58
3.2. Равновесное набухание 64
3.3. Сравнение значений равновесной сорбции и равновесного набухания 67
3.4. Кинетика процесса набухания 68
3.5. Изменение разрывных характеристик льняных материалов при действии влаги 73
3.6. Выводы по третьей главе 76
Главе 4. Исследование влияния влаги на жесткость при изгибе льняных тканей
4.1. Исследование жесткость при изгибе льняных тканей 77
4.2. Изменение жесткости при изгибе льняных тканей при термовлажностных воздействиях 80
4.2.1. Изменение жесткости при изгибе льняных тканей в процессе многократных влажно-тепловых обработок 81
4.2.2. Изменение жесткости при изгибе льняных тканей в процессе многократных стирок 91
4.3. Выводы по четвертой главе 109
Глава 5. Прогнозирование свойств льняных тканей при производстве и эксплуатации швейных изделий
5.1. Оценка анизотропии свойств льняных тканей при производстве и эксплуатации швейных изделий 110
5.2. Экспресс-метод прогнозирования изменений жесткости при изгибе 119
5.3. Выводы по пятой главе 121
Глава 6. Обсуждение результатов и разработка рекомендаций по их применению
6.1. Анализ результатов исследований 122
6.2. Разработка рекомендаций по проектированию льняных тканей с заданными свойствами 124
6.3. Разработка рекомендаций по изготовлению швейных изделий из льняных материалов с учетом влияния влаги на их свойства 126
6.4. Выводы по шестой главе 129
Основные результаты и выводы 130
Список литературы 132
Приложения 143
- Особенности структуры и свойств льняных волокон и полотен из них
- Разработка усовершенствованных методов оценки основных свойств льняных текстильных материалов
- Сравнение значений равновесной сорбции и равновесного набухания
- Изменение жесткости при изгибе льняных тканей в процессе многократных влажно-тепловых обработок
Особенности структуры и свойств льняных волокон и полотен из них
Лубяные волокна, выполняя функции армирующих элементов в растениях, имеют высокоупорядоченную структуру и высокие механические свойства. Из всех известных лубяных волокон, содержащихся в стеблях, листьях и оболочке плодов различных растений, лен обладает наиболее ценными прядильными и эксплуатационными характеристиками. По химическому составу и свойствам лен относится к группе тонковолокнистых лубяных волокон, как рами и кендырь. Пенька, кенаф, джут и канатник содержат больше нецеллюлозных веществ (в основном лигнина), которые не только укрепляют связь между волокнами, но и входят в состав волокна придавая ему хрупкость.
Специфической особенностью льна является его способность к дроблению под влиянием ряда воздействий. Льняное волокно по своей природе является волокном комплексным и получается из стебля льна - долгунца путем разрушения и последующего механического удаления из стеблей неволокнистых частей.
Свойства исходного льняного волокна обусловлены влиянием свойств элементарных волокон, связей между ними, степени очистки волокна от неволокнистых частей луба и степени его расщепления.
Техническое волокно представляет пучок элементарных волокон, связанных между собой клеящим комплексом в поперечном направлении, а в продольном направлении - отдельными волокнами, переходящими из пучка в пучок. Поперечное сечение технического волокна - овал, состоящий из элементарных волокон округлой многогранной формы. Длина технических волокон колеблется от 50 до 500 мм / 3, 4 /, и 200 - 800 мм у технического волокна высокого качества 151. Поперечник равен 150 - 250 мкм, линейная плотность 1.5-40 текс/15/.
Льняное техническое волокно является очень гибким, легко делится на тончайшие волокна при чесании, для него характерны значительная прочность на разрыв, высокая гигроскопичность.
Элементарное волокно представляет собой отдельные сильно вытянутые клетки с очень суженными несимметричными концами, утолщенными стенками, полостью или каналом внутри. Установлено, что толщина стенок или канала равномерно распределены по длине волокна, в средней части волокно имеет утолщенные стенки и небольшой канал. В поперечном сечении элементарное волокно представляет собой неправильный многоугольник. Под микроскопом хорошо просматриваются темные поперечные штрихи (сдвиги), представляющие собой прожилки лигнина, либо складки, образующиеся в результате изломов или изгибов в процессе роста растения, механической обработки и сушки /5, 16 /. Некоторые усредненные характеристики по данным различных источников представлены в табл.1. Разброс данных определяют различия в свойствах волокон в зависимости от сорта, длины и поперечника стебля, вида обработок.
Основным полимером лубяных волокон является - целлюлоза. Около 30 % вещества стебля составляют спутники целлюлозы (гемицеллюлоза, пектины, полиуронид ). Наряду с высокомолекулярными компонентами в стеблях содержится значительное количество низкомолекулярных веществ (углеводов, аминокислот, фенольных соединений, жира, воска и др.). Последние обладают высокой реакционной способностью и при повышении температуры во влаж ной среде вступают во взаимодействие с высокомолекулярными соединениями, снижая качество волокна.
Пектиновые вещества склеивают отдельные элементарные волокна в пучки и представляют собой высокомолекулярные соединения, состоящие главным образом из звеньев галактуроновой кислоты и различных углеводов.
Важной составной частью является лигнин. Он находится как в серединных пластинах, соединяющих элементарные волокна, так и в волокнах. Лигнин отрицательно влияет на прядильные свойства волокон: чем больше лигнина, тем они более грубые, хрупкие, одревесневшие.
Разработка усовершенствованных методов оценки основных свойств льняных текстильных материалов
Большинство методов оценки жесткости при изгибе текстильных материалов основано на экспериментальном определении некоторых параметров материала при изгибе, а рассчитываемые значения жесткости носят условный характер.
По методу консоли испытания проходят на приборах, на которых материал изгибается под действием распределенной нагрузки (собственной тяжести пробы), например прибор ПТ-2. Согласно ГОСТ 10550-93 методом консоли испытывают легко изгибающиеся ткани, имеющие абсолютный прогиб более 10 мм.
Условное значение жесткости EI, мкН см , вычисляют для проб продольного и поперечного направления по формуле где т- масса 5 проб (полосок), вырезанных в соответствующем направлении, г ; А - функция относительного прогиба fo , определяемая по таблицам (ГОСТ 10550-93). Относительный прогиб пробы рассчитывается где f - окончательный прогиб пробы; 1 - длина свешивающихся концов, равная 7 см. К приборам второго типа относится прибор ПЖУ- 12М, на котором испытывают материалы, обладающие значительной жесткостью: искусственная кожа, дублированные материалы, бортовые ткани, пакеты одежды и т.д.
Существуют разнообразные методики определения усадки, подробно проанализированные в работе /81/. В работе определение усадки тканей проводилось на основании ГОСТ 8710-84 с изменениями, приводимыми в п.2.3.2 -2.3.3. На основании метода определения равновесного набухания, представленного в работе /65/, разработан усовершенствованный метод, позволяющий определить не только равновесное значение набухания, но и проследить кинетику данного процесса.
Методика предназначена для определения равновесной величины и кинетики набухания нитей, полотен, кожи, нетканых и других материалов, для которых возможен контакт с водой при переработке и эксплуатации.
Сущность метода заключается в определении массы поглощенной воды материалом за определенные промежутки времени до достижения равновесия. Равновесность результатов достигается отжимом в центрифуге. Скорость и время отжима выбрано таким образом, чтобы удалить механически захваченную воду находящуюся в промежутках между волокнами. При выбранной по рекомендации /92,93/ скорости центрифугирования 3000 об/мин время центрифугирования составило 10 мин. Удлинение процесса незначительно влияет на результат. Уменьшение же длительности отжима проб при данной скорости резко повышает остаточное содержание воды.
Описание разработанной методики представлено в прилож. Экспериментальные данные по представленной методике (рис.3) позволяют не только оценить значение равновесного набухания, но и проследить кинетику Важно не просто знать свойства текстильных материалов, но и проследить их изменения в процессе производства и эксплуатации швейных изделий из них. Во многом от стабильности таких показателей как жесткость при изгибе и корреляционно связанные с ней показатели сминаемости, драпируемости, формуемости, усадки при термовлажностных обработках зависит сохранность приданной формы изделия. Поэтому, появилась необходимость в разработке методов, позволяющих проследить изменение этих показателей при производстве и эксплуатации одежды.
Суть методов заключается в многократном последовательном измерении жесткости при изгибе тканей, прошедших или влажно-тепловые обработки, имитирующие процесс производства одежды (прилож.2) или многократные стирки с последующей сушкой и влажно-тепловой обработкой, имитирующие процесс ухода за изделиями в процессе эксплуатации (прилож.З). Методики основаны на ГОСТе 10550-93 и ГОСТе 8710-84. Параметры обработки льняных тканей выбраны в соответствии с рекомендациями для льняного ассортимента.
При разработке методик оценки изменений жесткости при изгибе тканей количество повторяющихся влажно-тепловых обработок взято равным 5, так как для изготовления летнего ассортимента в среднем изделие проходит именно такое количество обработок. Перед проведением эксперимента материал рекомендуется подвергать декатировке.
При разработке методик оценки изменения жесткости при изгибе тканей количество повторяющихся циклов обработки было выбрано равное 10, так как приблизительно это соответствует одному весенне-летнему сезону эксплуатации одежды. Перед проведением эксперимента материал рекомендуется подвергать декатировке.
Процесс изменения жесткости неразрывно связан с усадкой материала при термовлажностных обработках. Поэтому одновременно с изменением жесткости снимались и показатели усадки.
Сравнение значений равновесной сорбции и равновесного набухания
Изучению сорбционных свойств материалов, в том числе и льняных, посвящено немало работ /38-65/, также встречаются работы по изучению процессов набухания текстильных материалов /65/, но работ по сопоставлению этих свойств очень мало, несмотря на то что они являются очень близкими.
Установлено (рис.8), что для исследуемых материалов величина предельного (равновесного) набухания в 2-3 раза больше значений предельной сорбции (гигроскопичности). Причин этого может быть много, но основная связана /46,103/ с тем, что при непосредственном контакте материала с жидкой фазой вода проникает в поры и вовнутрь канала волокна, в то время как при равновесной сорбции паров воды из воздуха внутри микропор находится воздух.
Наиболее наглядно зависимость процесса набухания от времени демонстрируют кинетические кривые набухания текстильных материалов, поэтому представляет интерес рассмотрение кинетики набухания объектами исследования, их аналитическое описание, интерпретация и сравнение результатов экспериментальных исследований.
На основе методики, предложенной в работе /65/, разработана новая методика определения кинетики и равновесной степени набухания текстильных материалов (нитей, тканей) в воде, приводимая в главе 2. Кинетические кривые набухания объектов исследования по разработанной методике представлены на рис.9-10.
Затруднения, возникшие при изучении кинетики набухания, схожи со сложностями при исследовании кинетики сорбции-десорбции влаги /51/ и связаны с масштабным эффектом, т.е. зависимостью кинетической кривой от размеров или массы проб. С целью устранения возникших при этом погрешностей кинетические кривые получены для проб одинаковой массы порядка 0,5 грамм.
Льняная пряжа достигает равновесия в течение приблизительно 12 ч., причем набухание в первые 5 мин. составляет более 80% от равновесного значения. Время выхода в равновесие х/б пряжи составляет порядка 24 ч., и в первые 5 мин. она поглощает порядка 40% от своего равновесного набухания. Данный факт, вероятней всего, возможно, объяснить тем, что волокно хлопка имеет большую пористость и коакиальную скученность волокна относительно оси. Лавсановая пряжа вообще практически не подвержена действию воды.
Методика определения равновесного набухания в работе /65/ отличается тем, что пробы вакуумируют. Стакан ставят в вакуум-экскатор и вакуумируют для удаления воздуха из межволоконного пространства в течении 1-3 мин. Окончание вакуумирования определяют по прекращению выделения пузырьков из образца. Введение этой операции интересно с точки зрения ускорения процесса поглощения воды, но этот процесс не имитирует условия эксплуатации, в реальных условиях время выхода в равновесное состояние увеличивается, и кинетические кривые имеют другой вид (рис.11).
Таким образом, для всех исследуемых текстильных материалов, исключая чистолавсановую пряжу, т.к. она не подвержена действию влаги, наблюдается похожий механизм процесса набухания: до определенного значения увеличение времени воздействия воды приводит к увеличению показателя набухания, а далее процесс стабилизируется (в течение времени эксперимента - 72ч.).
Проведенные исследования по определению кинетики процесса набухания льняных материалов показали, что можно математически описать рассматриваемый процесс в течение промежутка времени от 0 до 72 час. уравнением вида:
Установленная зависимость позволяет прогнозировать набухание льня-IX материалов на стадии проектирования изделий, а также может быть ис-льзована в качестве экспресс-метода прогнозирования количества поглощен-и воды материалами в зависимости от времени их контакта с водой.
При анализе длительного действия влаги на текстильные материалы важно не только оценить равновесное набухание, кинетику этого процесса, но и рассмотреть изменение свойств материалов в присутствии воды.
В настоящее время влияние влаги на механические свойства различных нитей и тканей изучено недостаточно. Систематические исследования и методическое обеспечение экспериментов по деформационно-прочностным характеристикам встречается лишь в условиях изменяющейся влажности /24,65,102/. Отмечается, что для гидрофильных волокон действие влаги наиболее значительно.
В целом, механические свойства целлюлозных материалов наиболее полно рассмотрены для древесины /104/, вискозных волокон /45/ и хлопка /102/. В работе Теплоуховой М.В. /51/ рассмотрено изменение разрывных характеристик чистольняной пряжи и ткани под действием влаги. Установлено, что с ростом влажности материала экстремально до P/Ps 0,75-0,9 у пряжи увеличивается величина разрывной нагрузки в 1,2 раза, повышается удлинение в 1,3 раза. Разрывная нагрузка мокрых образцов (вода 24 ч.) в 1,2-1,25 раз больше кондиционной, разрывное удлинение в 1,3-1,5 раз.
Данных о том, как время выдерживания в воде (кинетика процесса набухания) влияет на изменение деформационно - прочностых характеристик текстильных материалов практически отсутствуют. Поэтому представляет значительную важность исследование разрывных характеристик в сопоставлении с цанными по набуханию текстильных материалов.
В процессах сорбции и набухания волокнами низкомолекулярных веществ происходит заметное изменение их физико-механических свойств вследствие эффекта пластификации и изменения надмолекулярной структуры, а ЇСЛИ структура была недостаточно равновесной, то развиваются релаксацион-іьіе процессы, приводящие к изменению геометрических размеров, деформа-гивности и прочности /31/.
Изменение жесткости при изгибе льняных тканей в процессе многократных влажно-тепловых обработок
По разработанной методике оценки изменения свойств материалов при многократных влажно-тепловых обработках (гл.2) была определена жесткость при изгибе льняных тканей в процессе термовлажностных воздействий. Алгоритм оценки представлен на рис.14. Число обработок составило пять, т.к. для пошива летнего ассортимента изделие подвергается пятикратному числу термовлажностных воздействий. Параметры влажно-тепловыой обработки выбраны в соответствии с нормативами /110/. Перед раскроем ткань подвергалась декатировке с целью снижения усадочности в процессе производства и эксплуатации одежды.
Исследования показали (табл.15, рис. 15-20), что в процессе пятикратных влажно-тепловых обработок жесткость при изгибе изменяется, в основном в сторону увеличения. Наиболее значимой причиной изменения жесткости является усадка ткани, при которой изменяются структурные характеристики ткани (количество нитей на 10 см), вследствие чего растет и жесткость.
Представленные данные по усадке выявляют ее технологическую часть, т. е. усадку, которая проявляется в технологическом процессе изготовления изделия. Повышенная тепловая усадка материалов в результате их влажно-тепловых обработок усложняет технологический процесс изготовления одежды. Усадка более 2% приводит к уменьшению размеров изделия, искажению формы отдельных его частей и изделия в целом /58/.
Льнохлопковая (рис. 17) смешанная ткань очень несущественно изменяет жесткость при изгибе при влажно-тепловых обработках, что обусловлено наличием хлопковых волокон. Хлопчатобумажная ткань (рис.18) изменяет исследуемый показатель также незначительно.
Исследования действия влажно-тепловых обработок на неоднородную льнохлопковую ткань (рис.19) показывает другую картину, при одном и том же качественном составе тканей (см. рис. 15-16) неоднородная ткань, у которой хлопчатобумажные нити в основе и льняной уток, подвержена значительно большим изменениям жесткости по сравнению со смешанной тканью, и имеет иной характер изменений жесткости в ортогональных направлениях. Жесткость при изгибе по утку приблизительно в 2 раза превышает жесткость ткани в направлении основы.
Лавсановые ткани подвержены наименьшим изменениям жесткости при шажно-тепловых обработках.
На изменения жесткости при термовлажностных воздействиях оказывает ІЛИЯНИЄ и переплетение. Более связное полотняное переплетение (см. рис. 15) в [еныпей степени склонно к изменению жесткости при влажно-тепловых обра-отках. Ткани с длинными перекрытиями подвержены большим изменениям есткости.
Исследования показывают, что проведенные декатировки значительно іижают колебания как жесткости, так и усадки.
Информация о кинетике изменений жесткости в ходе влажно-тепловых работок позволяет дифференцированно подходить к каждому технологиче ому этапу изготовления швейных изделий: раскроя, фронтального дублиро ния и др., а также дает возможность грамотного подхода к оценке качества полняемых технологических операций.
Так как при влажно-тепловых обработках выявляется только технологическая усадка, а не полная (предельная), вследствие непродолжительного по температуре и времени термовлажностного воздействия, то и изменения структурных характеристик и свойств материала протекает не до предельных значений, т.е. изменение свойств будет происходить и при эксплуатации одежды, сопровождаемой многочисленными стирками. Поэтому наибольший практический интерес имеет изучение изменений свойств материалов в процессе многократных стирок.
