книги из ГПНТБ / Склянников В.П. Оптимизация строения и механических свойств тканей из химических волокон

в. п. с н л я н н и к о в

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРОЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСНИХ СВОЙСТВ ТНАНЕЙ

ИЗ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОНОН

МОСКВА «ЛЕГКАЯ ИНДУСТРИЯ:

1974

6П9.25

С43

УДК 677.4.017.001.5

Гос. публичная научно-т ехкичеекая бйб.пиотана ССС Р

^ ! ЗЕГЛГ Г;ЯР

Н 6 ~ о (?

л ?

© Издательство «Легкая индустрия», 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану разви­ тия народного хозяйства СССР на 1971 — 1975 годы предусмотрено увеличение производства тканей в 1975 г. до 10,5— 11 млрд, м2, вы­ пуск химических волокон в последнем' году пятилетки должен составить 1050— 1100 тыс. т., при этом доля синтетических волокон возрастет до 38—,40%-.

Наряду с увеличением производства поставлена задача свое­ временного обновления и расширения ассортимента продукции, улучшения ее качества.

ЦК КПСС и Совет Министров СССР рассматривают улучше­ ние качества выпускаемой продукции как одну из важнейших эко­ номических и политических задач на современном этапе развития общественного производства. Важность отмеченной задачи выте­ кает из высшей цели экономической политики КПСС, состоящей в обеспечении постоянного роста благосостояния народа.

Большое значение в решении поставленных задач имеет разви­ тие производства химических волокон, что в свою очередь требует решения вопроса их наиболее эффективного использования. Особое значение в связи с этим приобретают вопросы разработки опти­ мального строения тканей.

Вопросы строения имеют большое значение для костюмно-пла­ тельных тканей, разнообразие которых может достигаться также и с помощью других средств. Велико значение строения для тка­ ней технического назначения и для тканей, предназначенных для производственной и специальной одежды.

При изменении строения тканей их свойства не остаются по­ стоянными. Прежде всего изменяются механические свойства тка­ ней, определяющие степень удовлетворения таких важнейших тре­ бований потребителей, как надежность и долговечность, стабиль­ ность формы и внешнего вида издёлий.

Несмотря на значительное количество работ в области исследо­ вания зависимости механических свойств тканей от их строения, к настоящему времени достаточно полных и общих представлений по этому вопросу не имеется. Такой вывод в большей степени от­ носится к тканям из химических волокон.

Задачей данной работы являлось исследование основных зако­ номерностей изменения механических свойств однородных одно­ слойных тканей из некоторых видов химических волокон.

В основу теоретических и экспериментальных исследований было положено представление о ткани как дисперсном анизотроп-

1*

мом теле, геометрическая форма и механические свойства струк­ турных элементов которого являются функцией их предыстории, взаимного расположения и взаимодействия в ткани. Таким обра­ зом, важнейшей предпосылкой работы явилось положение о зави­ симости свойств нитей и волокон от их расположения в ткани и от тех механических воздействий, которым они подвергались перед заработной и в процессе заработки в ткань.

Исследования проводили в свете современных теоретических представлений о структуре, закономерностях деформации, проч­ ности и разрушении полимерных материалов, развитых в трудах главным образом советских ученых.

Большое значение в проведении исследований по ряду вопросов имели труды П. А. Ребиндера [1] в области развития представле­ ний о молекулярном механизме понижения прочности под воздей­ ствием нагрузки. Согласно этим представлениям всегда имеющиеся в материале микродефекты (трещины) обратимо развиваются во времени — увеличиваются под воздействием нагрузки и поверхно­ стно-активных веществ и постепенно вновь смыкаются под дей­ ствием молекулярных сил после снятия или уменьшения нагрузки.

А. П. Александровым [2] показано, что на первой стадии раз рушения существенную роль играют тепловые флуктуации атомов и молекул; вероятность разрыва связей тем больше, чем выше температура и больше напряжение у вершины микротрещины. Представления о прочности твердых тел, в том числе полимерных волокон, согласно которым разрушение носит механохимический характер, развиты С. Н. Журковым с сотрудниками [3]. Согласно этим представлениям прочность полимеров определяется скоростью разрыва химических связей в цепных макромолекулах, в результате чего образуются свободные радикалы. Показано, что скорость про­ цесса разрыва и его время экспоненциально зависят от величины

I

где А — коэффициент, зависящий от величины энергетического барьера, соответствует энергии химических связей;

а— напряжение;

а— коэффициент, зависящий от величины сил межмолеку­

лярного взаимодействия.

Из работ С. Н. Журкова вытекает, что разрушения в теле, под­ вергнутом механическим напряжениям, необратимы и их можно суммировать.

Развитие представлений флуктуационной температурно-времен­ ной теории об обратимом образовании микротрещин при отсутст­ вии химических (коррозионных) процессов с учетом статистиче­ ской теории прочности и масштабного фактора дано в трудах Г. М. Бартенева [4]. В указанных работах приводится математиче­ ское подтверждение формулы (1), в то же время показано, что существует безопасная нагрузка, ниже которой разрыв принципи­ ально невозможен.

4.

На направление проведенных исследований большое влияние оказали работы А. П. Александрова, Ю. С. Лазуркина [5], В. А. Кар­ гина и Г. Л. Слонимского [6]. Напряжение при релаксационных про­ цессах складывается из двух частей: постоянного напряжения по закону Гука и переменного напряжения, стремящегося к нулю.

Отмечается, что потеря эластических свойств гидратцеллюлозных волокон тем больше, чем большее время волокно находилось под напряжением. Это обстоятельство следует учитывать при пе­ реработке волокон, а тем более при оценке их качества в изделиях. В результате релаксации деформации при снятии внешних напря­ жений наблюдаются улучшения эластических свойств, релаксация напряжения при заданной деформации ведет к снижению эласти­ ческих свойств волокон.

Значительный интерес в области физики полимеров и, в част­ ности, в области релаксации деформации и напряжения представ­ ляет труд Т. Алфрея [7], который подчеркивает наличие явлений остаточных напряжений, наблюдаемых при постоянной деформа­ ции, и тесную связь этих напряжений с явлением остаточных де­ формаций при постоянном напряжении.

Особое значение для правильного понимания механизма де­ формации и разрушения полимерных материалов имеет надмо­ лекулярная теория их строения, разработанная В. А. Каргиным и сотрудниками.

Для рассматриваемых в данной книге вопросов большое зна­ чение имеет развитие В. В. Новожиловым [8] взгляда о единстве теорий разрушения и пластичности. Автор подчеркивает, что раз­ рушение— процесс необратимый и определяется не только зна­ чениями характеризующих его параметров, но и всей историей нагружения, причем протяженность процесса охватывает теории износа, суммирования усталостных повреждений, разрушения от

деформации и разрушения полимерных материалов применительно к текстильным нитям различной структуры. Показанные в этих работах закономерности изменений структуры и свойств нитей под воздействием однократных и многократных деформаций с учетом временных зависимостей и условий внешней среды имеют непо­ средственное отношение к решению задач, поставленных в области исследования строения и механических свойств тканей. Для реше­ ния ряда вопросов о деформации нитей и волокон в тканях и их свойствах большой интерес представляют работы М. С. Бородовского [12], А. В. Матукониса [13], К. И. Корицкого [14], М. П. Но­ сова [15].

В области исследования строения тканей наибольшее теоре­ тическое и практическое значение для разработки вопросов опти­ мизации имеют труды Н. Г. Новикова [16] о фазах строения тканей, С. Брайерлея [17] по изучению максимальной плотности тканей, О. С. Кутепова [18] по разработке методов проектирования тканей

5

на основе использования теории С. Брайерлея/ Ф. М. Розанова и других [18] по обобщению важнейших вопросов строения и влия­ ния его на свойства тканей, Н. С. Ереминой [19] в части разра­ ботки метода расчета коэффициента связности ткани, Л. Г. Лей-, теса [20] в отношении вопросов о перераспределении волокнистого материала ткани по системам нитей при изменении соотношения плотностей и роли боковых изгибов нитей в тканях, Г. И. Сели­ ванова [21] в части классификации полей, образующих ткань.

Большой интерес представляет исследование строения тканей методом радиоактивных излучений, развитое П. В. Власовым [22].

Существенное значение в подтверждении правильности выбран­ ного нами направления исследования имели работы В. Эскобе [23] о наслоениях перекрытий, Дж. Гамильтона о наличии боковых из­ гибов в тканях некоторых переплетений, М. Альфорда о примене-, нин относительных величин для характеристики строения тканей.'

Некоторые задачи по дальнейшему совершенствованию изуче­ ния строения тканей и их проектирования выдвинуты С. Г. Гориц­ ким. Определенные итоги по рассматриваемому вопросу подвела дискуссия, проведенная по вопросам совершенствования строения тканей в 1969 г. («Текстильная промышленность», 1969, № 6, стр. 66). Было отмечено, что в области строения ткаиер проведены большие исследования, но имеются еще не решенные задачи: ком­ плексное изучение физико-механических свойств, строения, отделки тканей; к настоящему времени еще недостаточно накоплено факти­ ческого материала по изучению строения и свойств тканей, позво­ ляющего определять зависимости между отдельными параметрами ткани; недостаточно изучен и разработан комплекс обязательных показателей, определяющих строение и свойства тканей; отсут­ ствуют единые методики определения параметров строения тканей (высота волн нитей в ткани, размеры поперечника нитей в местах пересечения и др.). ■

Данная работа направлена на решение проблем, выдвинутых дискуссией.

Решение такой важной задачи, как исследование механических свойств тканей в зависимости от их строения, базировалось на трудах отечественных и зарубежных ученых. Одной из обоб­ щающих работ в этом направлении является работа Г. Н. Кукина и А. Н. Соловьева [24]. Большой интерес представляют труды Н. Г. Новикова и сотрудников [25] о влиянии отдельных парамет­ ров строения тканей на их свойства, П. В. Власова [22] о свойствах тканей различных переплетений, Б. П. Позднякова [26] об изуче­ нии усталостных свойств тканей, Ф. Ф. Васильева [27] о рациональ­ ном строении тканей, Н. С. Ереминой [28] о влиянии коэффициента связанности на свойства тканей, Н. А. Архангельского [29] и К- И. Корицкого [14] об использовании прочности волокна и нитей в тканях, Ф. М. Розанова, М. И. Павловой [30] и Н. Ф. Сурниной

овлиянии переплетения и плотности на свойства тканей.

Вчисле важнейших для наших исследований работ зарубежных авторов следует назвать обобщающий труд Р. Кесвелла [31], ра­

6

боты В. Гамбургера [32] по вопросу о зависимости износостойкости от работы разрыва, Г. Берингера [33] о способности ткани к работе как центральной ее характеристике, Г. Тейлора [34] о зависимости прочности при растяжении и раздирании от плотности и перепле­ тения хлопчатобумажных тканей.

Большинство работ по изучению зависимости механических свойств тканей от их строения выполнено на тканях из натураль­ ных, главным образом хлопковых, волокон и основывается на срав­ нительно небольшом экспериментальном материале без достаточно глубоких теоретических обоснований, особенно в области изменений механических свойств нитей вследствие их заработанное™ в тка­ нях различного строения. Все это привело к тому, что до настоя­ щего времени обобщающие закономерности отсутствуют.

В данной работе излагаются результаты изучения влияния на механические свойства тканей трех факторов: переплетения, плот­ ности и соотношения плотностей. Совместное изучение влияния этих факторов потребовало применения обобщающих показателей, ко­ торые наилучшим образом могли бы характеризовать степень уп­ лотненности ткани и степень напряженности ее структурных эле­ ментов (нитей и волокон, составляющих ткань).

В связи с тем что имеющиеся показатели строения не могли удовлетворить указанным требованиям для характеристики степени уплотненности (напряженности) тканей, нами были разработаны и экспериментально проверены методы расчета двух “показателей: коэффициента уплотненности (напряженности) переплетения, отно­ сительно характеризующего уплотненность ткани при' постоянной плотности и постоянных поперечных -размерах нитей, и коэффи­ циента наполнения тканей, характеризующего их уплотненность в общем виде с учетом плотности по основе и утку, поперечных размеров нитей в тканях, порядка фазы строения тканей, коэффи­ циента уплотненности (напряженности) переплетения.

Для проведения экспериментальных исследований были выра­ ботаны ткани из наиболее распространенных в настоящее время волокон (вискозного и полиэфирного), относящихся к различным классам и резко различающихся по свойствам. Такой выбор волок­ нистого состава тканей позволял выяснить влияние строения на свойства тканей, различных по волокнистому составу. Теоретиче­ ские данные позволяли сделать вывод о том, что в характере этого влияния должны быть как общие черты, так и различия.

Следует отметить, что по некоторым показателям в работе были выполнены аналитические расчеты без введения опытных коэффициентов. В ряде случаев изучаемые зависимости оказыва­ лись весьма сложными и устанавливались методами математиче­ ской статистики в соответствии с работами Н. К. Дружинина и Ю. С. Виноградова.

Достоверность результатов определяли при доверительной ве­ роятности 0,955, использовали коэффициенты вариации Св, гаран­ тийные ошибки выборки гпг, относительные гарантийные ошибки выборки Ог, коэффициенты корреляции с установлением их дове-

7

рительных границ г, теоретические корреляционные отношения R, средние квадратические относительные ошибки, допускаемые при замене статистической зависимости функциональной зависимостью б/(X). Число испытаний (измерений) выбирали из расчета получе­ ния относительной гарантийной ошибки, не превышающей при оп­ ределении показателей строения тканей, полу- и одноцнкловых ха­ рактеристик Зч-5%, при определении . многоцикловых характери­ стик— 10-г-15%. Математическую обработку экспериментальных данных и другие расчеты проводили на ЭВМ «Минск-22».

Важнейшая задача состояла в изучении изменений механиче­ ских свойств тканей с целью оптимизации их уплотненности, ха­ рактеризуемой коэффициентом уплотненности (напряженности) пе­ реплетения при постоянных заправочных данных по основе.

В последнее время некоторыми исследователями было предпри­ нято изучение возможности выработки тканей различного ассор­ тимента по единому заправочному расчету основы. В работах Д. Г. Лазишвили [35] отмечается, что освоение и внедрение в про­ изводство новых образцов тканей требуют частых перезаправок оборудования, вследствие чего снижаются технико-экономические показатели предприятий. Это препятствует внедрению в произ­ водство новых образцов тканей.

Одним из путей решения отмеченной задачи является введение специализации в ткачестве путем выработки ряда тканей одной заправки по основе. Некоторыми авторами показано, что в данном случае при достаточно широком ассортименте вырабатываемой продукции экономия сЬставит значительную сумму.

Л. Г. Лейтес [36] отмечает, что вопросы рационализации строе­ ния тканей связаны с задачей повышения производительности труда, повышения качества тканей и экономии сырьевых ресурсов.

Из рассмотренного видно, что оптимизация строения тканей должна привести к положительному решению ряда проблем.

Основная задача данной работы состояла в исследовании воз­ можностиоптимизации механических свойств однослойных тка­ ней на базе оптимизации степени их уплотненности. Решение ука­ занной задачи потребовало:

1)проведения теоретических исследований в области строения тканей с целью разработки методов расчета показателей, харак­ теризующих их уплотненность и состояние напряженности;

2)экспериментальной проверки разработанных методов рас­ чета показателей, характеризующих уплотненность (напряжен­

ность) тканей; 3) выполнения экспериментальных исследований влияния раз­

личных факторов (плотности, соотношения плотностей, вида пере­ плетения) и показателей строения тканей на их основные механи­ ческие свойства: полуцикловые разрывные характеристики, одно­ цикловые и многоцикловые характеристики при деформации растя­ жения и изгиба;

4) сравнения результатов лабораторных исследований с дан­ ными опытной носки изделий из изучаемых тканей.

8

Г л а в а 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ СТРОЕНИЯ

ИПРОЕКТИРОВАНИЯ ТКАНЕЙ

Вданной главе излагается материал теоретических исследова­ ний в трех взаимосвязанных направлениях: изучения состояния ни­ тей в тканях, изучения и разработки методов расчета показателей, характеризующих уплотненность тканей, и проектирования их с уче­ том уплотненности.

СОСТОЯНИЕ НИТЕЙ В ТКАНЯХ

Состояние нитей в тканях отличается от первоначального (до заработки нитей в ткань) вследствие наличия деформации растя­ жения, изгиба и сжатия. Исследование состояния нитей в тканях является важнейшей проблемой, от успешного решения которой зависит повышение точности всех расчетов в области строения, проектирования и свойств тканей. Общее состояние нитей в тканях может быть охарактеризовано их внешней формой и внутренними изменениями, происходящими при заработке их в ткань и под воз­ действием внешних условий.

Изменения как внешнего, так и внутреннего порядка являются следствием одних и тех же причин и поэтому связаны между со­ бой. Невозможно изменить форму нити, не изменив величину напряжения и связи волокон в ней. Следовательно, для характе­ ристики общего состояния нитей в тканях большое значение имеет изучение их внешней формы, включая форму и размеры попереч­ ного сечения, а также расположение нитей в тканях.

Форма и размеры поперечного сечения нитей в тканях

В наиболее ранних работах (Мерфи и др.) в области строения тканей для характеристики толщины нитей в тканях применяли весовые единицы (метрический номер), которые широко приме­ няются и в настоящее время. Применение весовых единиц для характеристики поперечных размеров нитей в тканях имеется в ра­ ботах С. Брайерлея [17], О. С. Кутепова [18], Н. С. Ереминой [19],

М.С. Бородовского [37]-.

С.С. Бюшгенс, уточняя формулы Н. С. Ереминой, показала, что

применение весовых единиц для характеристики толщины нитей в тканях различного строения и различного волокнистого состава ведет к большим неточностям в расчетах и предложила для этой

9