Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния рынка и перспективы производства композиционных нетканых материалов (КНМ) 11
1.1 Особенности структуры КНМ 11
1.2 Перспективы мирового рынка КНМ. Область их применения . 18
1.3 Влияние волокнистого состава и особенностей строения КНМ на их основные свойства
1.4 Исследование рынка КНМ 38
Глава 2 Экспериментальное исследование основных свойств композиционных иглопробивных нетканых материалов (КИНМ) 46
2.1 Характеристика объектов исследования 46
2.2 Методика исследования структурных характеристик и физических свойств КИНМ
2.3 Исследование свойств вторичного волокнистого сырья, используемого для производства КИНМ 60
2.4 Исследование структуры волокнистых экспериментальных КИНМ 63
2.5 Исследование физических свойств экспериментальных КИНМ . 67
2.5.1 Гигиенические свойства 67
2.5.2 Гидрофизические свойства 72
2.5.3 Теплотехнические свойства 75
2.5.4 Изменение линейных размеров 76
2.6 Исследование механических свойств экспериментальных КИНМ 78
2.6.1 Методика эксперимента 78
2.6.2 Экспериментальное исследование механических свойств . 83
Глава 3 Определение области применения экспериментальных КИНМ 109
3.1 Возможность использования экспериментальных КИНМ в качестве основы под полимерные покрытия 109
3.2 Возможность использования экспериментальных КИНМ в одежде специального назначения 123
Глава 4 Исследование деформационного процесса при сдвиге и анизотропии КИНМ 126
4.1 Исследование деформационного процесса при сдвиге КИНМ... 126
4.1.1 Разработка методики исследования деформационного процесса при сдвиге
4.1.2 Экспериментальное исследование упругих характеристик КИНМ при деформации сдвига
4.2 Исследование анизотропии КИНМ 138
4.2.1 Методика исследования анизотропии 139
4.2.2 Экспериментальное исследование коэффициента структуры КИНМ 142
Глава 5 Комплексная оценка уровня качества КИНМ . 145
5.1 Определение относительных индексов качества по показателям основных свойств КИНМ
5.2 Определение уровня качества КИНМ с применением функции желательности
5.3 Определение комплексных оценок качества экспериментальных КИНМ по показателям их свойств
Выводы 157
Предложения 161
Список используемых источников 162
- Перспективы мирового рынка КНМ. Область их применения
- Методика исследования структурных характеристик и физических свойств КИНМ
- Возможность использования экспериментальных КИНМ в одежде специального назначения
- Разработка методики исследования деформационного процесса при сдвиге
Введение к работе
Развитие научно-технического прогресса во многих отраслях промышленности немыслимо без создания новых композиционных материалов (КМ), способных улучшить важнейшие параметры двигателей, машин, агрегатов, приборов и повысить их массовые показатели, надежность, срок службы изделий и снизить их материалоемкость.
За последние годы возрос поток технической информации по этой тематике. Однако встречается противоречивая информация о природе этих материалов, их свойствах и технологии изготовления, которая требует серьезного исследования и анализа. Развитие производства и применения КМ в различных отраслях промышленности ставит задачу прогнозирования их физико-механических свойств.
Новую категорию КМ с новыми возможностями их использования и с новым потенциалом на рынке составляют нетканые материалы (НМ). Эти материалы отвечают потребностям строительного комплекса и тенденциям мирового развития производства строительных материалов. Возрастают масштабы использования НМ в энергосберегающих ограждающих конструкциях, что позволяет обеспечивать энерго- и ресурсосбережение, повысить долговечность конструктивных элементов, улучшить технологию строительных работ.
В настоящее время растет доля материалов, изготовляемых с применением вторичных сырьевых ресурсов и отходов промышленного производства, что способствует снижению затрат и одновременно решает задачи охраны окружающей среды. Одними из таких материалов, где в последние годы утилизируются отходы, являются композиционные нетканые материалы (КНМ). Таким образом, возможность значительного расширения по применению НМ в композитах связана с решением важнейшей экономической проблемы — переработки и утилизации отходов.
Ввиду того, что технология текстильных конструкционных композитов находится по существу в стадии формирования, очень немногие из уже разработанных типов этих материалов проверены на практике. Поэтому для интенсивного развития в области технологии композитов важны сведения обо всех особенностях предлагаемых материалов.
В настоящее время наличие местной сырьевой базы в Приморском крае позволяет фабрике ЗАО «Радуга» (г. Владивосток) производить иглопробивные нетканые материалы на основе вторичных полиамидных волокон только одного назначения, которые используются в строительстве для армирования и защиты строительных дорожных конструкций -дренажные композиции. Но НМ в сравнении с другими видами текстильной промышленности являются наиболее наукоемкими и многоплановыми. Развитие рынка НМ напрямую связано с разработкой новых видов НМ, расширением области их применения и активной пропагандой эффективности их использования.
Все выше перечисленное определило выбор темы, цели и задачи диссертационного исследования.
Целью настоящего исследования явилось исследование влияния вторичного волокнистого сырья и структуры на физико-механические свойства композиционных нетканых материалов, выработанных иглопробивным способом из местного вторичного сырья на фабрике по переработке вторичных ресурсов ЗАО «Радуга» и определение области их применения.
Актуальность выбранного исследования в том, что, использование продуктов переработки и повторное их применение в производстве КНМ, решает многие проблемы — снижение энергоемкости, себестоимости, а также значительное расширение областей и объемов применения НМ для удовлетворения, прежде всего, потребностей региона и самое главное -экологические вопросы, связанные с утилизацией отходов.
7 Проектирование нетканых композитов должно производиться в
соответствии с исходными требованиями к самому изделию, такими как
стоимость, эксплуатационные показатели, доступность, технологич-ность,
совмещаемость с другими элементами конструкции, а также
эксплуатационная ценность изделия. Совместное решение вопросов
расширения ассортимента, улучшения качества и снижения
материалоемкости изделий и конструкций возможно лишь при знании
взаимосвязей свойств изделий с параметрами их структуры и свойствами
исходного сырья.
В связи с этим для достижения поставленной цели решались
следующие задачи:
исследовать основные свойства вторичного волокнистого сырья, используемого для производства экспериментальных композиционных иглопробивных нетканых материалов (КИНМ);
исследовать влияние волокнистого состава и структуры на физико-механические свойства КИНМ;
исследовать особенности деформационного процесса при сдвиге волокнистых КИНМ;
исследовать характер изменения упругих характеристик КИНМ при различных видах напряженного состояния, величины уровня напряжения, скорости деформирования, направления рисунка иглопрокалывания;
изучить анизотропию физико-механических свойств КИНМ;
определить область использования экспериментальных КИНМ;
провести комплексную оценку качества экспериментальных КИНМ по показателям исследования их основных свойств;
разработать нормативный документ (ТУ) на производство КИНМ;
Научная новизна полученных результатов в том, что:
установлены закономерности изменения упругих характеристик КИНМ от вида напряженного состояния, величины уровня напряжения,
8 скорости деформирования, направления рисунка иглопрокалывания при
нагружении и разгрузке;
предложена математическая зависимость по описанию анизотропии физико-механических свойств КИНМ;
установлены особенности деформационного процесса при сдвиге волокнистых КИНМ.
Методика исследований
При решении поставленных задач был проведен анализ современного состояния рынка КИНМ, а также изучена научно-техническая литература отечественных и зарубежных авторов, касающаяся проблемы переработки вторичного сырья в КИНМ различного назначения; охарактеризовано влияние волокнистого состава на основные свойства КИНМ, представлены их преимущества и недостатки, и направление совершенствования свойств КИНМ; условия их эксплуатации. Проведен теоретический анализ литературы по вопросу оценки качества КИНМ, изучена нормативная документация на методы испытаний КИНМ. В работе применялись современные методы теоретических и экспериментальных исследований, в том числе методы математической статистики. При теоретическом изучении рассматри-ваемой проблемы использованы методы теории упругости анизотропно-го тела, методы технологии конструкционных материалов, текстильного материаловедения и механики композиционных материалов.
Практическая значимость заключается в том, что:
- полученные результаты исследования физико-механических свойств
КИНМ можно использовать для оценки качества волокнистых
композиционных материалов, изделий и конструкций на их основе, а также
для моделирования и оптимизации технологических процессов при их
изготовлении. Полученные экспериментальные данные дают возможность
расширить представление о процессах, происходящих в текстильных
композитах для оценки их долговечности.
- установлена возможность использования экспериментальных КИНМ
в качестве подосновы под полимерные покрытия и утепляющего прокладочного материала в одежду специального назначения. На основании проведенных исследований освоено производство КИНМ (2 акта о внедрении).
- разработана и утверждена нормативная документация на предла
гаемые КИНМ - ТУ 8391-011-20778138-2002 «Полотно иглопробив-ное»,
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 25.АЦ.04.744.Т.
000205.04.03 от 09.04.03.
Теоретические положения и экспериментальные результаты диссертационной работы используются в специальных курсах при подготовке специалистов по прикладной механике по дисциплине «Механика композиционных материалов» и «Технология конструкционных материалов» в Дальневосточном государственном техническом университете и при подготовке товароведов-экспертов по специальности «Товароведение и экспертиза товаров» в Дальневосточной государственной академии экономики и управления.
Практическая ценность работы заключается в рациональном применении отходов производства и потребления, расширении области применения КИНМ, что позволяет эффективно решать сырьевую, социальную и экологическую задачи, увеличить эффективность производства КИНМ, расширить ассортимент НМ на ЗАО «Радуга».
Объем и структура работы
Работа состоит из введения, обзора литературы (Іглава), собственных исследований (4 главы), заключения, списка использован-ной литературы (включает 191 источник), 9 приложений. Диссертация изложена на 161 страницах, включая 25 таблиц и 18 рис.
В первой главе проведен анализ современного состояния и перспективы развития производства КИНМ. Перечислены основные области применения КИНМ. Представлены особенности структуры
10 КИНМ. Рассмотрены вопросы возможности использования вторичного
сырья для производства товаров народного потребления.
Охарактеризованы основные свойства КИНМ, приведены их
преимущества и недостатки. Представлены исследования в данной области
других авторов. Освещены вопросы исследования деформационного
процесса при сдвиге. Проведен анализ рынка КИНМ и выявлена
потребность новых видов КИНМ на рынке ДВ региона.
Во второй главе проведено комплексное исследование основных свойств КИНМ; исследование вторичного волокнистого сырья, используемое для производства экспериментальных КИНМ; исследована макроструктура КИНМ.
В третьей главе определена область применения экспериментальных КИНМ.
В четвертой главе представлены результаты исследования деформационного процесса при сдвиге КИНМ; исследована анизотропия физико-механических свойств экспериментальных КИНМ.
В пятой главе представлены результаты определения комплексной оценки качества по показателям исследуемых свойств КИНМ из вторичного сырья.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 6 научных конференциях (международной, межрегиональных) и опубликованы в 10 печатных работах.
1]
Перспективы мирового рынка КНМ. Область их применения
Промышленность НМ получила большое развитие во всем мире и превратилась в отдельную текстильную отрасль. Эта отрасль обладает значительным потенциалом развития в сфере технологий и оборудования [6,7,11]. Продажа НМ промышленного назначения на мировом рынке в текущем десятилетии, согласно прогнозу английской компании «David Rigby Associates» (DRA) [10], будет расти в среднем на 3,5% в год и к 2010 г. достигнет 23,8 млн. т. На такое повышение повлияло увеличение использования НМ в с/х, строительстве, в одежде и в спорттоварах. Следует отметить, что производство НМ в мире за последние 10 лет увеличилось почти в 3 раза [154]. Наиболее высокие темпы роста производства НМ ожидаются в странах Азии, В географическом плане мировое производство НМ распределится в 2010 г. следующим образом (%): Азия — 45, Северная и Южная Америка — 29 и Европа — 23 (таблЛ) [5,155]. Опережающие темпы развития производства НМ характерны для всех промышленно развитых стран - США, Австралии, Латинской Америки, стран Западной Европы и Японии. Быстрому развитию НМ за рубежом способствовало создание высокопроизводительных способов их производства, таких как из расплава полимера спанбонд, из раздува полимера, термоскрепление, скрепление волокнистых холстов водными струями и др.
Производство НМ в своем развитии прошло три стадии: разработка дешевых полотен для традиционных областей применения, разработка более совершенных конкурентоспособных НМ с традиционными текстильными изделиями и, наконец, разработка и конструирование НМ с заданным комплексом свойств, отвечающих специальным заказам потребителя, применение их в КМ [7,8].
В объеме мирового производства НМ продолжает возрастать относительное значение иглопробивных материалов. В 2000 г. во всем мире было произведено 1,1 млн. т иглопробивных материалов, их доля в мировом объеме НМ достигла 35%. В странах Северной Америки насчитывается около 300 фирм, которые в 2000 г. выпустили 260 тыс. т иглопробивных материалов. В Латинской Америке производством иглопробивных материалов занято около 200 фирм (80% их производства приходится на Бразилию и Мексику), в Европе — 400 фирм и в Японии — 140 фирм. Согласно прогнозу, для производства иглопробивных полотен в мировом масштабе ожидается рост потребления волокон (кроме регенерированных) с 800 тыс.т. в 2000 г. до 1 млн.т. в 2005 г. и 1,16 млн.т. в 2010 г. [І55]
Тенденции развития мирового рынка НМ регулярно прогнозируются английской фирмой, специализирующейся на исследовании текстильного рынка, David Rigby Ass. (DRA) (Manchester). В новом обзоре DRA емкость мирового рынка НМ на 2000г. оценивалась в 16,7 млн л; а к 2010 г. она может достичь 23,8 млн.т на сумму $126 млрд., т. е. прирост должен составить в среднем 3,5% в год. В нашей стране работы по созданию НМ начали проводиться в 30-х гг., а их промышленное производство освоено лишь в 1950 г.[24] Ускоренное развитие производства НМ в нашей стране началось с 1975 г. Оно было вызвано необходимостью замены х/б тканей в различных отраслях промышленности с целью их высвобождения для нужд населения. В период с 1975-1982 гг. были построены 4 специализированных фабрики по производству НМ клееным способом производства с объемом выпуска каждая до 100 млн. м2 в год (Казахстан - Кзыл-ординская фабрика НМ, Узбекистан - Папская ФНМ, Украина -Бориславская ФНМ и Россия - Сыктывкарская ФНМ) [5].
Экономический кризис в стране (1993 - 1998 гг.) привел к упадку, как легкой промышленности, так и отрасли НМ. Ввоз в Россию конкурентоспособных, дешевых НМ из Турции, Германии и др. государств привел к резкому спаду производства отечественных НМ. Если в Западной Европе менее чем за 10 лет производство НМ увеличилось почти вдвое, то в России оно снизилось почти в 15 раз. И только с 1999 г. начался рост производства НМ на российских предприятиях.
Как показала весенняя текстильная ярмарка 2003 г., на российском рынке вновь появились НМ производства Польши, Чехии, Словении, Германии, Франции и Китая, которые создают большую конкуренцию российским производителям по цене и качеству [154].
В последнее время производить продукцию легкой промышленности в России становится финансово выгоднее, чем в странах зарубежья. Это осознают не только отечественные, но и зарубежные заказчики продукции. Отечественные производители получили хорошую возможность завоевать "место под солнцем" на европейском рынке размещения заказов. Главная проблема российских производителей, — как добиться того, чтобы качество выпускаемых отечественных товаров не уступало зарубежным аналогам [153].
В силу своих технологических возможностей и программируемых характеристик, НМ могут выпускаться в виде комбинаций с другими материалами, что способствует улучшению их свойств и тем самым — решению проблемы полного удовлетворения спроса на них. Различают применение НМ для технических целей, для быта, для медицинских целей. Основные области применения НМ [2,9,5,95,155]: автомобильная промышленность, с/х техника, судостроение, ж/д транспорт, авиация, как декоративные и упаковочные материалы, спецодежда, дорожное строительство и бытовые нужды. НМ могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в горнорудной и металлургической промышленности. К перспективным отраслям применения НМ относятся электротехника, автомобильная, космическая и ракетная промышленности и другие специальные отрасли техники, где нельзя использовать традиционные текстильные полотна.
В связи с интенсивным развитием нефтяной и газовой промышленности, дорожным и жилищным строительством, одним из приоритетных направлений в развитии ассортимента НМ в настоящее время являются геотекстильные полотна, имеющие достаточно широкий спектр областей применения.
Методика исследования структурных характеристик и физических свойств КИНМ
Основными требованиями, предъявляемые ко всем материалам являются состав сырья, структура, определенная толщина слоя, поверхностная плотность, малая объемная масса, стойкость к механическим воздействиям [132].
Волокнистый состав является основным структурным показателем КИНМ, а качество материала и его поведение во время эксплуатации зависит от его природы и структуры, а также от расположения составляющих его волокон. Прочность волокнистых композиционных материалов определяется свойствами волокон, поэтому необходимо исследовать свойства волокон, используемых для производства этих материалов. Основными показателями, характеризующими качество волокон, являются: длина, линейная плотность, разрывная нагрузка, удлинение при разрыве в сухом и мокром состояниях, гигроскопичность, устойчивость к истиранию и др.
Исследование вторичного сырья проводили в исследовательской лаборатории фабрики ЗАО «Радуга» по стандартным методикам. Перед испытаниями волокна выдерживали в стандартных климатических условиях при относительной влажности воздуха 65 ±2% и температуре — 20±2С.
Определение сырьевого состава является основополагающим при идентификации КМ. Сырьевой состав определяет свойства данных материалов, их функциональное назначение и методы испытаний. Определение сырьевого состава проводили органолептическим, химическим и инструментальным методами, а также при помощи микроскопии.
В процессе обработки волокон на чесальной машине их длина не изменяется, тогда, как при иглопрокалывании длина волокон может уменьшаться- Определение длин волокон проводили вручную с помощью миллиметровой линейки по ГОСТ 10213.4—73 «Волокно и жгут химические. Метод определения длины». Степень извитости волокон, определяли по методике, изложенной в ГОСТ 13411-90 «Волокно и жгут химические. Методы определения извитости». Извитость определяли у волокон, извлеченных из экспериментальных образцов. От каждого КИНМ пинцетом отбирали по 500 волокон. Степень извитости рассчитывали по формуле: 1= к±Ах100, (2Л) где l\ - длина волокна к моменту полного распрямления извитков волокон, мм; /0 - длина распрямленных волокон с сохранением извитков, мм. За конечный результат принимали среднее арифметическое всех исследуемых волокон. Главным механическим свойством волокон является прочность на разрыв, которая характеризуется показателями разрывной нагрузкой и удлинением, которые являются одними из существенных показателей, определяющих условия переработки волокна и свойства получаемых из них изделий.
Механические характеристики вторичных волокон определяли согласно ГОСТ 10213.2-73 «Волокно и жгут химические. Метод определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве» на приборе РМ-27, погрешность измерения ±1%. Пучки волокон отбирали согласно ГОСТ 10213.0-73 «Волокно и жгут химические. Правила приемки и метод отбора проб», число испытаний составляло 50. Влажность регенерированных волокон определяли при помощи прибора ВК МТ-267 с прямым цифровым отсчетом в единицах влагосодержания. Погрешность измерения составляла 0,1 %. В связи с тем, что работа направлена на определение области использования экспериментальных КИНМ, выработанных из вторичного сырья, целесообразности замены ими традиционных материалов, то эта задача может быть решена на базе всестороннего изучения основных свойств этих материалов. С целью анализа качества экспериментальных КИНМ необходимо осуществить лабораторные исследования свойств данных материалов, а также изучить их структуру. Для проведения испытаний были выбраны наиболее значимые свойства КИНМ, что позволит в дальнейшем провести комплексную оценку качества экспериментальных КИНМ. Материалы, используемые для теплоизоляции и основ под полимерные покрытия должны иметь небольшую объемную массу и гигроскопичность, небольшой коэффициент теплопроводности, обладать высокой пористостью» эти материалы не должны загнивать и разрушаться под влиянием атмосферных агентов, не должны оказывать вредное влияние на соприкасающиеся с ними конструкции и иметь неприятный запах, а также не должны быть подвержены разрушению грызунами [169]. Материалы, используемые для утепления должны сохранять форму изделия, для таких материалов важна упругость, воздухо- и паропрони-цаемость, теплопроводность и жесткость. Особенностью эксплуатации КИНМ является их постоянный контакт, как с окружающей средой, так и непосредственно с человеком. Материалы, не должны быть источником запаха и выделения вредных химических соединений, потенциально опасных для здоровья человека. Важные в гигиеническом отношении физические свойства материалов должны способствовать обеспечению оптимального состояния организма человека и не должны оказывать токсикологического и раздражающего действия. Отбор проб производили в соответствии с ГОСТ 23587-77 «Полотна нетканые. Правила приема и отбора образцов». Перед испытаниями образцы экспериментальных КИНМ выдерживали в стандартных климатических условиях в соответствии с ГОСТ 10681-75 «Материалы текстильные. Климатические условия испытаний», не менее 10 часов при относительной влажности воздуха 65+2% и температуре воздуха 20+2С0.
Показатели структуры и массы полотна входят в число общих (обязательных) показателей качества материала независимо от его назначения. Эти показатели важны с точки зрения материалоемкости материала, рационального использования сырья и технологического оборудования, также они определяют целевое назначение и своеобразие внешнего вида материала и изделий из них.
Структурные характеристики КИНМ определяли по ГОСТ 3811-72 «Материалы текстильные. Ткани, нетканые полотна и штучные изделия. Методы определения линейных размеров, линейной и поверхностной плотности».
Структуру экспериментальных КИНМ исследовали под микроскопом, работающим в проходящем свете в компьютерном исполнении, имеющим оптический выход, монитор, компьютер, программное обеспечение для обработки изображения. Управление микроскопом производит непосредственно компьютер. Исследование структуры КИНМ проводили в продольном виде и в поперечном срезе нетканого полотна.
Основные гигиенические требования, предъявляемые к КИНМ, содержащим в своем составе синтетические волокна, предусматривают обеспечение безопасных и безвредных условий для жизнедеятельности человека при его взаимодействии с изделием и средой. КИНМ должны защищать организм человека от неблагоприятных воздействий внешней среды, химически вредных веществ, а также обеспечивать соответствующие условия нормального его функционирования.
Необходимость проведения гигиенических исследований обусловлено тем, что потребитель должен быть уверен в качестве изделия, в том числе в безопасности и экологической чистоте, он должен быть убежден, что КИНМ не содержат токсических веществ (или содержание этих веществ не превышает установленных пределов) и эта продукция не представляет угрозы его здоровью. При проведении гигиенической оценки КИНМ проводили токсикологические, радиологические исследования, определяли их электризуемость, исследовали сорбционные свойства и свойства проницаемости.
Исследование гигиенической оценки КИНМ проводили согласно «Методическому указанию по гигиенической оценке полимерных материалов» № 10353-76 в испытательном лабораторном центре Госсанэпиднадзора по Приморскому краю. При этих исследованиях выявляли наличие наиболее опасных в биологическом отношении компоненты полимеров, оценивали потенциальную опасность действия на человека максимально возможных концентраций токсических веществ, мигрирующих из КИНМ.
Возможность использования экспериментальных КИНМ в одежде специального назначения
Объединение в работе материалов с различным целевым назначением связано с предъявляемым к ним общим требованием -сопротивление развитию деформации и восстановление после деформации.
Исследования, проведенные во второй главе, позволяют рекомендовать КИНМ также в качестве теплоизоляционных материалов для одежды специального назначения. Предлагаемые материалы формоустойчивы, доля остаточной деформации при растяжении мала, что является их большим преимуществом перед другими материалами этого же целевого назначения. Эластичность КИНМ объясняется их невысокой жесткостью. В соответствии с ГОСТ 24684-87 «Материалы для одежды. Нормы жесткости» норма жесткости должна находиться в пределах 0,1-2,0 сН-см . Исследуемые КИНМ удовлетворяют этим требованиям (п. 2.6., табл. 16).
Для КИНМ, предназначенных для изготовления одежды гигиенические свойства имеют особое значение т.к. они обуславливают пододежный микроклимат, имеющий важное значение для самочувствия и работоспособности людей, находящихся в них. Созданные КМ по показателям химической и биологической безопасности соответствуют требованиям ISO 10993 и сборнику руководящих и методических материалов по токсикологическим, гигиеническим исследованиям полимерных материалов и изделий на их основе. Эти материалы не токсичны, не будут вызывать аллергию при контакте с кожей человека, что подтверждено протоколами испытаний (приложения 8,9).
Проницаемость материала - важный показатель гигиенической оценки теплоизоляционных материалов одежного назначения, обуславливающий вентиляцию под одеждой, т.к. при недостаточной паропроницаемости материала человек в одежде, сшитой из него, ощущает удушье. Показатель паропроницаемости используется при оценке материалов, выработанных с применением химических волокон, в связи с тем, что материалы из синтетических волокон часто обладают малой паропроницаемостью. Исследуемые КИНМ обладают достаточной проницаемостью - более 12 мг/м с (п.2.6., табл.12).
Быстрое высыхание материалов, предназначенных для спецодежды нежелательно, так как оно вызывает интенсивное охлаждение поверхности тела. Медленное испарение влаги обеспечивает равномерный тешюсъем и меньшее обезвоживание организма человека. КИНМ, выработанные из смеси хлопок-капрон-шерсть имеют лучшие показатели влагоотдачи. Высокая сорбционная способность гидрофильных волокон шерсти является важным их преимуществом по сравнению с невысокой гидрофильностью полиамидных волокон, обладающих малой гигроскопичностью.
Материалы, предназначенные для утепления одежды должны обладать небольшим коэффициентом теплопроводности, который в расчетах теплозащитных свойств одежды принимается как постоянная величина, равная 0,049 Вт/м с (коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов и материалов, используемых в строительстве, например строительный войлок, принимается - 0,045 Вт/м с). Коэффициент теплопроводности экспериментальных КИНМ варьируется в пределах 0,04 - 0,05 Вт/м2с, что удовлетворяет приведенным выше требованиям.
Основной характеристикой теплозащитных свойств композиционных материалов для одежды является также тепловое сопротивление, которое зависит в основном от толщины утеплителя. При анализе полученных результатов теплозащитных свойств КИНМ установлено, что с увеличением толщины полотна увеличивается суммарное тепловое сопротивление, а коэффициент теплопроводности падает. Показатель суммарного теплового сопротивления для прокладочных полотен в соответствии с требованиями ЦНИИШП [124] должен быть не менее 4,0-10" м -град/Вт. КИНМ при поверхностной плотности 249-419 г/м2 и толщине 2-2,9 мм имеют тепловое сопротивление впределах4,26-10 2-7,25-10 2м2-град/Вт(п.2.6.,табл.13).. Таким образом, предложенные иглопробивные нетканые материалы для одежды специального назначения, обладают достаточной пористостью, толщиной, поверхностной плотностью и объемностью, а по показателям физико-механических свойств, находятся на уровне заменяемых ватинов. Применение химических волокон, стойких к действию кислот и щелочей, для производства утеплителей специального назначения обеспечит высокие защитные свойства. КИНМ обладают такими достоинствами как низкой теплопроводностью, низкой гигроскопичностью, не растворяются в воде и щелочестойки, имеют достаточную прочность и устойчивы к деформации. КИНМ, выработанные из хлопка-капрона-шерсти наиболее полно по всем показателям свойств отвечают требованиям, предъявляемых к теплоизоляционным материалам для одежды.
Разработка методики исследования деформационного процесса при сдвиге
Для изучения деформации сдвига используют метод Л. Трелора [143]. Данный метод прост в измерении, и имеет ряд преимуществ, которые позволяют применять образцы двух форм (квадратной и прямоугольной).
Как правило, при исследовании деформации сдвига определяют деформацию узких полосок, но эта деформация отличается от аналогичной реальной деформации в текстильных изделиях и ее трудно связать со сминаемостью и формоустойчивостью. По этим соображениям для исследования использовались образцы квадратной формы размером 500x500 мм, которые заправлялись между двумя параллельными зажимами, верхний из которых неподвижен, а нижний под действием собственного веса и прикрепленного к нему груза натягивает образец. Усилие сдвига передается образцу при помощи грузов 6, которые подвешены на гибких нитях 5 через блоки 7. Деформация сдвига осуществляется под действием силы сдвига F, мерой которой является угол сдвига 0. На величину угла сдвига 0, как мы считаем, в данном случае влияет не только сила сдвига F, но и горизонтальная составляющая от начального натяжения W, которое нам необходимо дать для того, чтобы образец при деформировании не изгибался. Эта величина является предварительной нагрузкой образца, а также усилием растяжения, действующим на образец наряду с усилием сдвига во время всего цикла испытания.
В реальных условиях эксплуатации композиционный текстильный материал подвергается небольшим усилиям растяжения, т.е. небольшим по своей величине напряжениям. Исходя из этого, для приближения условий эксперимента к реальным условиям эксплуатации текстильного изделия нами были выбраны сравнительно небольшие величины силы сдвига. При нагрузке образца силу сдвига изменяли постепенно -увеличивая массу гирь.
Для оценки сдвига КИНМ определяли такие параметры как деформацию сдвига EG, угол сдвига 0, относительную величину сдвига AS, удлинение диагонали д. Для достоверных результатов экспериментальных исследований для каждого уровня напряжения проводилось по 5 опытов для каждого образца КИНМ, вырезанных в продольном и поперечном направлениях. Определялись упругие характеристики для всех трех диагоналей растяжения и сжатия 1 ь 22, 33 и 44, 5з, 6б (далее диагонали растяжения будут условно заменены понятиями - большой квадрат l]i44 , средний квадрат 2г:5зи малый квадрат Зз:6б, соответственно).
Точность и надежность измерений исследования деформации сдвига оценивалась методом математической статистики, расчетные характеристики были приняты для доверительной вероятности 0,95.
Полученные экспериментальные данные исследования деформации сдвига КИНМ приведены в таблицах, представленных в Приложении 4. По полученным данным строились кривые растяжения КИНМ при сдвиге (рис.16), а также графики зависимости модуля сдвига и модуля упругости от уровня напряжения (рис.17).
Из диаграмм растяжения при исследовании деформации сдвига видно (рис. 16), что характер кривых растяжения КИНМ при деформации сдвига отличается от характера кривых растяжения при исследовании одноцикловых характеристик (рис.8). Форма кривых растяжения имеет «S - образный» характер.
При снятии нагрузки (разгрузка) наблюдается несколько большее удлинение КИНМ, чем при нагружении и несколько большее, чем при одно цикловом растяжении. Так как упругое восстановление волокнистых материалов связано с величиной обратимого удлинения, т.е. чем больше обратимое удлинение (чем быстрее происходит релаксация макромолекул после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию волокнистой структуры), тем меньше величина остаточного удлинения и тем выше доля упругой деформации.
Величиной наибольшего растяжения при деформации сдвига обладает, как и при простом растяжении КИНМ, выработанный из хлопка-капрона, наименьшей - КИНМ, выработанный из 100% капрона. Проведенные исследования деформации сдвига доказывают вывод, сделанный во второй главе п. 2.6., что в поперечном направлении КИНМ деформируются меньше, чем в продольном.
После снятия напряжения возвращение структуры КИНМ к исходному состоянию задерживается вследствие развившихся релаксационных процессов деформации. Доля остаточной деформации составляет 7 — 14%, что в 1,5 раза превосходит значение остаточной деформации КИНМ при простом нагружении. Также из кривых растяжения при сдвиге видно, что деформация в образце развивается неодинаково. Наибольшее ее значение наблюдается у большого квадрата (диагональ Ь), а наименьшее у малого (диагональ 33). Это скорее всего, объясняется удаленностью малого квадрата от усилия сдвига и малым влиянием граничных условий. Также считаем, что на среднем участке (малый квадрат) деформация носит довольно однородный характер.
Коэффициент Пуассона иглопробивных нетканых материалов при деформации сдвига находится в пределах 0,09-0,1. Что дает нам право сделать вывод, согласно работе [140], что изменение объема всего тела КИНМ (т.е. его объемная деформация) равно нулю.
Так как каждому квадрату соответствуют две диагонали (рис. 15-6) — диагональ сжатия и диагональ растяжения, то и упругие характеристики устанавливались как для случая растяжения, так и для случая сжатия. Данные характеристики в работе не приводятся, т.к. полученные значения модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона для диагоналей сжатия практически равны этим же величинам для диагоналей растяжения (± 1,3%). Это говорит о том, что при сжатии нетканый материал выдерживает такие же напряжения, что и при растяжении (о"=т).
Модуль упругости при сдвиге в 1,5 - 2 раза выше модуля упругости при простом растяжении. Это можно объяснить, видимо тем, что строение волокон неоднородно и изменяется во времени. В работе [151] говорится, что отклонение значения EG при сдвиге от Е при простом растяжении объясняется тем, что при изучении свойств материалов часто используется упругая модель, а не вязкоупругая, которая имеет место в действительности. Напряженное состояние волокна при сдвиге, изгибе является состоянием простого растяжения. Если каждое волокно можно считать находящимся в условиях простого растяжения, то модуль Е при растяжении и сдвиге должны совпадать. Рассчитанный на основе формул теории вязкоупругости, сопротивления материалов модуль Е при сдвиге оказывается немного больше, чем истинный модуль упругости Е, соответствующий мгновенному простому растяжению.
Зависимость между модулем упругости Е, характеризующим жесткость материала и модулем сдвига, как было отмечено выше, имеет линейный характер. Для нетканых материалов, имеющих кроме упругого эластический компонент деформации, понятие жесткости условно. Жесткость при изгибе текстильных изделий является важной характеристикой, так как определяет поведение изделий при дальнейшей обработке и эксплуатации.
При исследовании жесткости нетканых материалов обычно определяют жесткость при изгибе, т.к. в процессе эксплуатации они под действием собственной массы дают большие прогибы.
Похожие диссертации на Исследование влияния волокнистого состава и структуры на физико-механические свойства композиционных нетканых материалов
