Кукин Г.Н. и др. Текстильное материаловедение. Текстильные полотна и изделия

Подождите немного. Документ загружается.

отталкивающей пропиткой. Круглую вращающуюся пробу 2

подвергают дождеванию в течение 10 мин. При открытом

кране / (см. рис. V.13) вода под углом 45° падает на пробу.

Замеряют количество воды, прошедшей через пробу в водо-

сборник 3. Время с начала дождевания до появления первой

капли на противоположной стороне пробы или на водосбор-

нике 3 характеризует водоупорность.

После 10 мин дождевания пробу вынимают из зажима при-

бора и удаляют прилипшие капли воды короткими сильными

встряхиваниями сверху вниз с последующим рывком пробы

вверх. Затем пробу встряхивают 5 раз за один конец и 5 раз

за другой.

Из середины пробы по шаблону вырезают квадрат разме-

ром ЮхЮ см и определяют его массу т

. После подсушивания

при температуре 50—55 °С и выдерживания не менее 24 ч

в нормальных атмосферных условиях вторично определяют

массу квадрата т. Зная площадь квадрата (5—10000 мм

вычисляют водоемкость по формуле

—

(т

—т) 10

/S. (V.20)

Для определения водопроницаемости измеряют объем У

воды, прошедшей через пробу площадью S за время Т, и по

формуле (V.19) вычисляют коэффициент водопроницаемости.

Плащевые ткани оценивают по наихудшему (максималь-

ному) значению водоемкости и водопроницаемости из трех

проб.

Водоупорность зависит от пористости полотен. Наличие

сквозных пор, не заполняемых даже при набухании увлажнен-

ного полотна, снижает водоупорность. Наличие у сукон и вой-

локов густого, сильно запрессованного ворса значительно повы-

шает их водоупорность. Для повышения водоупорности полотен

применяют различные пропитки и пленки, непроницаемые

для воды (каучуковая, полихлорвиниловая и др.). В этом

случае эффект водоупорности и даже непроницаемости дости-

гается путем перекрытия водонепроницаемой пленкой. Эффект

непроницаемости можно получить с помощью гидрофобных

пропиток, когда поры остаются открытыми и сохраняется воз-

духопроницаемость полотен. Эффект водонепроницаемости до-

стигается также путем образования в порах ткани поверхност-

ного слоя, удерживающего воду от прохождения через поры.

Некоторые исследователи отмечают разницу между водо-

проницаемостью и водоотталкиваемостью полотен. Так, Роуен

и Гэглиарди под водопроницаемостью понимают сопротивление

прониканию воды при гидростатическом давлении, а под во-

доотталкиваемостью— сопротивление смачиванию от дожде-

вых капель.

Водоотталкивание полотен достигается, например, обработ-

172

Т а б л. V.6. Защитная способность разных тканей при действии ji-лучей

Ткань

Доля излучения 0-лучей,

поглощаемых тканью,

%. при числе слоев

2 3

Бязь хлопчатобумажная отбеленная

Диагональ хлопчатобумажная окра-

шенная арт. 569

То же арт. 220

Полотно льняное суровое арт. 364

Сукно шинельное серое арт. 1085

15,8

19,6

44,5

4,8

14,8

35,5

32,9

68,2

9,4

19,9

35,5

47,6

81,4

кой раствором мыла, затем раствором соли алюминия, вслед-

ствие чего на поверхности образуется алюминиевое мыло, при-

дающее полотну гидрофобные водоотталкивающие свойства.

Проницаемость текстильных полотен для радиоактивных

излучений. Важным свойством текстильных полотен является

проницаемость для а-, р-, улучей и потока нейтронов.

а-Лучи — положительно заряженные тяжелые частицы, со-

стоящие из двух протонов и двух нейтронов (ядер гелия), об-

ладают энергией в несколько мегаэлектрон-вольт (10® эВ), вы-

летающих из ядер радиоактивных элементов со скоростью по-

рядка 15—20 тыс. км/с. Эти лучи задерживаются текстильным

изделием, если оно имеет не очень малую плотность.

Р-Лучи являются потоком электронов с энергией до несколь-

ких мегаэлектрон-вольт, достигающих скоростей порядка ско-

рости света (до 300 тыс. км/с). А. Н. Соловьевым [3] приведены

со ссылкой на А. Я. Астраханцева сведения о защитной спо-

собности некоторых видов тканей по отношению к р-лучам

(табл. V.6).

Приведенные данные показывают, что защитная способ-

ность при действии р-лучей повышается с увеличением тол-

щины и плотности тканей, а также с увеличением числа слоев.

-у-Лучи представляют собой электромагнитное излучение,

аналогичное рентгеновскому, но с очень малой длиной волн

(Ю

-8

см и ниже) и энергиями квантов от сотых долей до сотен

мегаэлектрон-вольт.

Нейтроны, не имеющие электрического заряда частицы

атомных ядер, на малых расстояниях сильно взаимодействуют

с последними. Нейтроны могут обладать разной энергией —

от нескольких сотых мегаэлектрон-вольта (медленные ней-

троны) до сотен мегаэлектрон-вольт.

3. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА

К текстильным полотнам в зависимости от их назначения

предъявляют различные требования относительно тепловых

свойств. Например, для бытовых текстильных полотен, пред-

173

назначенных для летней одежды, необходима высокая тепло-

проводность, для зимней одежды, наоборот, низкая теплопро-

водность, чтобы защитить человека от переохлаждения. Разно-

образны также требования к теплопроводности (теплозащите)

текстильных материалов, применяющихся, например, в палат-

ках, прокладках, полотнах для дорог и др.

В монографии П. А. Колесникова [5] проанализированы теп-

ловые свойства текстильных полотен для одежды с учетом

сложных условий теплообмена, в частности между телом оде-

того человека и окружающей средой при разных условиях ра-

боты, состоянии организма, разных биологических требованиях.

Основными тепловыми свойствами текстильных полотен по-

мимо теплопроводности являются теплостойкость, морозостой-

кость, огнестойкость.

Теплопроводность. Это свойство текстильных полотен свя-

зано с переносом энергии теплового движения микрочастиц от

более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящим

К выравниванию температуры.

Теплопроводность текстильных полотен оценивается коэф-

фициентами теплопроводности К, Вт/(м*°С), теплопередачи К,

Вт/(м

'°С), тепловым сопротивлением R, м

*°С/Вт, удельным

тепловым сопротивлением р, м

•

°С/Вт.

Чгг;-т * (V.21)

2?S(T

К = = - (V.22)

R ^/'MTV-TJ (V. 23)

^S(7V-r

) (V.24)

где Q — мощность теплового потока, проходящего через пробу полотна, Вт;

— толщина полотна, м; S — площадь пробы, м

; 74 н Тг — температура

поверхностей пробы полотна, "С. z? - syLax&^egp**«л.

/гл^лсл- г, * V

Теплопроводность текстильных полотен зависит от многих

факторов: волокнистого состава полотен, их структуры, влаж-

ности, конвекции и др.

Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м-°С), составляет:

для воздуха — 0,02, шерсти —0,03, шелка —0,04, льна —0,04,

хлопка—0,05, воды — 0,6. Поэтому при близких параметрах

структуры текстильного полотна разного волокнистого состава

имеют разные показатели теплопроводности. На теплопровод-

ность текстильных полотен существенно влияют переплетение,

пористость (открытая или закрытая), слоистость, способ обра-

174

зования структуры (тканый, трикотажный, нетканый, комбини-

рованный ткано-трикотажный и др.).

Аналитические зависимости теплопроводности текстильных

полотен от структуры отсутствуют, имеются лишь сведения

о косвенных факторах, связанных со структурой полотен. Из

этих факторов главным является наличие в полотне закрытых

пор, их устойчивость. Открытые поры содействуют конвекции

тепла через поры и увеличивают теплопроводность, и наоборот,

закрытые поры снижают теплопроводность полотен. Устойчи-

вость пор зависит от упругости волокнистого состава полотен,

переплетения, особенно двух- или многослойных. Чем больше

упругость волокнистого состава полотен, тем меньше их тепло-

проводность.

Ниже приведены данные о теплопроводности некоторых тка-

ней разных структур и назначения [6].

Коэффициент теплопроводности текстильных полотен с по-

вышением их средней плотности повышается в результате

уменьшения закрытой пористости. Приведенные данные о теп-

лопроводности могут дать примерное представление об изме-

нении коэффициента теплопроводности полотен в результате

уменьшения пористостй.

Зависимость коэффициента теплопроводности X от средней

плотности у приведена ниже [1].

Y, кг/м

До 50 500 800 1200 2000

к, Вт/(м-°С) 0,047 0,07 0,14 0,209 0,291

Известна формула С. Г. Зырина для определения коэффи-

циента теплопроводности плотных тканей с большим количест-

вом закрытых пор:

где Х»ол, Хвоз — коэффициенты теплопроводности волокон и воздуха,

Вт/(м-°С); Р

—

доля объема волокон в объеме ткани.

Представляет интерес при прогнозировании теплопроводно-

сти чистошерстяных и смешанных шерстяных тканей эмпириче-

ская формула С. Г. Зырина

Группа тканей

Коэффициент теплопроводности.

Вт/(м°С)

0,041—0,059

0,042—0,058

0,038-0,049

Пальтовые

Костюмные

Платьевые

Бельевые

(V.25)

= 0,22

£ 1

PS-1Q-" /

и — 1

А \ В

(-^+0,05^], (V.26)

175

где ps — поверхностная плотность ткани (сухой); А, В

—-

коэффициенты,

определяемые экспериментально; b — толщина ткани (при давлении

2 кН/м

), мм.

_ 3,9лх4-6п

. р _ 1,3»!4- t,5n

где

«1

— содержание в ткани шерстяных волокон, % по массе; п

— содер-

жание в ткани целлюлозных волокон, % по массе.

Наличие влажности в ткани приводит к увеличению тепло-

проводности. Эта зависимость выражается формулой

=К + aW, (V.27)

где X», Хс — коэффициент теплопроводности соответственно влажной и су-

хой ткани, Вт/(м-К); а — коэффициент (для шерстяных тканей а=0,0024,

для хлопчатобумажных а=0,0039),

W —

влажность ткани, %.

Теплопроводность текстильных полотен с повышением тем-

пературы увеличивается. Так, по данным Я. А. Школьникова,

коэффициент теплопроводности стекловолокна и других изо-

ляционных материалов с повышением температуры изменяется

по формуле

= Я

4-р7\ ' (V.28)

где

Яо

— коэффициент теплопроводности при Г=0°С (для стекловойлока

Х,о=0,03); р

—

эмпирический коэффициент, Р=0,00022; Т

—

температура, °С.

Тепловое сопротивление текстильных полотен существенно

зависит от их толщины, коэффициента теплопроводности. Оно

тем больше, чем больше толщина полотен и чем меньше коэф-

фициент теплопроводности. Однако тепловое сопротивление

текстильных полотен существенно уменьшается с возникнове-

нием воздушного потока и увеличением его скорости.

Учитывая, что коэффициенты теплопроводности X и теплопе-

редачи К текстильных полотен зависят от разных видов пере-

дачи тепла (теплопроводности вещества волокон, воздуха в порах,

конвекции воздуха, теплоизлучения), фактически коэффи-

циент X является эквивалентным коэффициентом теплопровод-

ности Х&, а коэффициент теплопередачи К — общим (суммар-

ным) коэффициентом теплопередачи К

- При определении ха-

рактеристики теплозащитных свойств текстильных полотен или

пакетов одежды находят суммарное тепловое сопротивление,

характеризующее теплообмен через одежду или пакет.

Суммарное тепловое сопротивление, м

«°С/Вт,

= + = + = + — = (V .29)

а л о

где Ли = 6Да — внутреннее тепловое сопротивление полотен; /?

= 1 /а — со-

противление теплоотдаче с поверхности полотен; р

1/А.»

— удельное тепло-

вое сопротивление; b

—

толщина пробы, Я

— эквивалентный коэффициент

теплопроводности, включающий теплопередачу теплопроводностью, конвек-

176

цией в структуре полотен (изделий); о

—

коэффициент теплоотдачи с поверх-

ности пробы, характеризующий теплообмен поверхности полотна конвенций

и излучением с более холодной средой (воздухом).

Методы определения теплозащитных свойств. Показатели

теплозащитных свойств текстильных материалов (полотен) оп-

ределяют методами стационарного и регулярных режимов. Из-

вестны разные экспериментальные исследования, выполненные

этими методами. Некоторые методы описаны в «Лабораторном

практикуме по текстильному материаловедению» [2].

Представляет интерес прибор ЛКТ-1. В основу прибора по-

ложен принцип Г. М. Кондратьева — принцип плоского бикало-

риметра со стационарным режимом работы (рис. V.14).

Основными деталями прибора являются плоский металли-

ческий сердечник 2, теплоизоляционная плита 3 и разъемная

металлическая оболочка 4. Сердечник 2 снабжен электриче-

ским нагревателем. При испытаниях происходит свободное ох-

лаждение предварительно нагретого сердечника 2, тепло от ко-

торого через пробу 1 и теплоизоляционную плиту 3 поглоща-

ется оболочкой 4.

Для пробы исследуемого материала по формулам опреде-

ляют:

тепловое сопротивление

R = р ; (V.30)

[(

л +

ср6

)

т_/С

]

теплопроводность

+-Lcp^m-/C]. (V.31)

где ф

—

коэффициент рассеивания, являющийся функцией толщины мате-

риала (зависимость ф от толщины материала показана на рис. V.15 [6]);

Л —постоянная прибора, характеризующая теплоемкость сердечника, пло-

щадь его поперечного сечения и теплоемкость теплоизоляционного слоя;

—- cpb— поправка на теплоемкость исследуемого, материала (с

—

удельная

теплоемкость материала; р —средняя плотность; b

—

толщина материала);

—

темп охлаждения сердечника; К

—

постоянная прибора, характеризую-

щая теплопередачу теплоизоляционного слоя.

А = (с

С„э^/5

где Сс

—

полная теплоемкость сердечника с учетом теплоемкости его нагре-

вателя и вмонтированного в него участка термопары; с•«

—

полная теплоем-

кость теплозащитной оболочки сердечника (в приборе—высокопористый пе-

нопласт)

;

—

площадь рабочей (открытой) поверхности сердечника.

где в

—

перегрев сердечника над теплоизоляционной плитой; т

—

интервал

времени охлаждения; Ри = 1п(я

(

/л*); ти-время прохождения указателем

гальванометра отрезка шкалы от деления я< до деления п\.

177

Рис. V.14. Тепловая схема плоского

бикалориметра

Рис. V.1S. Зависимость коэффици-

ента рассеяния ф от толщины мате-

риала Ь

В комплексе с прибором используют гальванометр и секун-

домер. Прибор снабжен тремя микрометрами для фиксации

толщины пробы, которыми проверяют положение до закЛадки

материала, а затем фактическую толщину пробы. Пробу диа-

метром 50 мм устанавливают в рабочую полость прибора.

Верхний блок опускают до предельного положения. Визуально

проверяют наличие контакта микрометров с опорами нижнего

основания. Подготавливают электрические цепи прибора к ис-

пытанию и разогревают металлический сердечник и пробы.

После этого начинается измерение темпа регулярного охлаж-

дения.

т = (1пДГ

-1пЛГ

)/(Г

-Г

); (V.32)

= 1/тФ;

= c/S; (V.33)

где

Гг—-7\

= 20°С; Ф — фактор прибора; с — теплоемкость; S —площадь

пробы.

За эталон правильности работы прибора принимается коэф-

фициент теплопроводности слоя воздуха, заключенного между

нагреваемым сердечником и верхней плитой. Толщина воздуш-

ной прослойки может изменяться от 0,1 до 5 мм с погреш-

ностью 0,01 мм. Коэффициент теплопроводности слоя непод-

вижного воздуха толщиной 0,5 мм при перепаде температур

—7\=20

С, равный 0,028 Вт/(м-°С), принимается как эта-

лонный, и по нему проверяется правильность работы прибора.

Поскольку коэффициент теплопроводности К зависит от

давления на пробу, при испытаниях рекомендуется давление

1960 Па. При этом осуществляется перегрев сердечника при-

бора относительно оболочки на 20 °С. Число элементарных

проб — 5. В расчетную формулу теплового сопротивления вклю-

чают толщину материала.

ЦНИИШП [6] рекомендует для инженерных расчетов ко-

эффициент теплопроводности текстильных материалов прини-

мать равным 0,0495 Вт/(м-°С).

178

По методу стационарного режима на приборе ИТ-3 пробу

текстильного материала помещают между поверхностями, одна

из которых подогревается, другая охлаждается. При этом раз-

ница температур поддерживается подгоянной.

Количество теплоты Q, проходящее через пробу,

Q = iu,

где I — сила тока; U — напряжение.

Зная диаметр поверхности нагревателя D, толщину пробы

Ь, разницу температур Т

—Ти находят показатели теплопро-

водности, теплового сопротивления и др. [2].

Температуропроводность. Способность текстильных поло-

тен выравнивать температуру в различных точках характери-

зуется коэффициентом температуропроводности а, м

/с:

а = Х/(с

или

—

1/(рс

), (V.34)

где

X —

коэффициент теплопроводности; со — удельная теплоемкость; ро —

средняя плотность материала; р

—

удельное тепловое сопротивление.

Температуропроводность полотен зависит от волокнистого

состава. Так, полотна из хлопка имеют высокую температуро-

проводность, а полотна из шерсти — низкую (табл. V.7).

Температуропроводность полотен обусловливает скорость их

прогревания при влажно-тепловой обработке, например, швей-

ных изделий. Это связано с перемещением влаги от более на-

гретых участков к менее нагретым. Повышение температуро-

проводности увлажненных полотен происходит также вследствие

более высокой теплопроводности воды. Температуропроводность

в условиях адсорбции влаги дает ощущение холодности тек-

стильного полотна.

Табл. V.7. Коэффициенты температуропроводности

и теплопроводности тканей, полученные на цилиндрическом

'калориметре [в]

Ткань

Средняя

плотность Ро,

кг/м*

Коэффициент

температуро-

проводности

а, м'/с

Коэффициент

теплопровод-

ности

Я, Вт/(м °С)

Фланель хлопчатобумажная 190 15,8 0,042

Диагональ пальтовая 149 15,7 0,041

Драп шерстяной 193 12,5 0,045

Сукно щшнельное 215 10,8 0,044

Трико пестротканое чисто- 273 10,2 0,052

шерстяное

178

Рис. V.16. Схема прибора для определения коэффициента температуропро-

водности текстильных материалов (а) и график для определения темпа

охлаждения (б)

Температуропроводность текстильных полотен и изделий

определяют на приборах — акалориметрах, принцип действия

которых основан на теории регулярного режима [6]. Акалори-

метр состоит из металлического корпуса 4 (рис. V.16, а), теп-

лоизоляционной подставки 1, на которой установлен корпус.

Пространство 3 прибора заполняется предварительно нагре-

тым в термостате до определенной температуры исследуемым

материалом, свернутым в ролик. Температура измеряется диф-

ференциальной термопарой 2 (медно-константановой), укреп-

ленной в специальной оправке 5.

Коэффициент температуропроводности определяют по фор-

муле

a = kT, (V.35)

где k — коэффициент формы прибора, м

, зависящий от его геометрических

размеров; Т

—

температура, °С.

Для цилиндра высотой Л, см,

где

дго —

наименьший корень Бесселевой функции первого рода порядка

нуль; *о=2,4048; г

—

радиус основания цилиндра, см.

Температуропроводность текстильных полотен определяют

также с помощью бикалориметра. Проба, надетая на цилиндр,

влияет на темп охлаждения. Для прямолинейного участка АВ

(рис. V.16, б), соответствующего регулярному теплообмену,

темп охлаждения т, с

-1

, определяют по формуле

In ДГ, — In Д T

. А

m =

J———=tg р,

—

где Д7\ и АТг — разности температур прибора и воздуха соответственно

в моменты времени Л и ti.

180

Суммарное тепловое сопротивление определяют по прибли-

женной формуле

— \1(тФ)+

где

Ф —

тепловой фактор прибора, Дж/(м

-°С).

ф =

c/s,

где С

—

теплоемкость, Дж/°С; 5 — площадь боковой поверхности цилиндра,

Теплоемкость. Способность текстильных полотен и изделий

поглощать тепло при повышении их температуры называют

теплоемкостью. Показателем теплоемкости является удельная

теплоемкость материала. Теплоемкость характеризует тепловую

инерцию материала, его поведение при резких колебаниях тем-

пературы окружающей среды.

Удельная теплоемкость с, [Дж/(кг•°С)]10

, текстильных ма-

териалов, которые составляют следующие волокна [6]:

Стекловолокна 0,88 Шелковые 1,67

Поливинилхлоридные 0,96 Полиамидные 1,84

Полиэфирные 1,13 Полипропиленовые 1,84

Хлопковые 1,38 Шерстяные 1,89

Льняные - 1,51 Пенополиуретановые 2,14

Полиакрилонитрильные 1,55

Вискозные 1,63 Триацетатные 2,18

Полотна с более высокой удельной теплоемкостью целесо-

образно применять для одежды, эксплуатация которой проис-

ходит в условиях быстрой и частой смены температуры.

Для текстильных смешанных полотен П. А. Колесниковым

[5] предложена формула расчета удельной теплоемкости

(Cj*!

+ с

+ . . . +с

*,,)/100,

где си с2, ..., с„—удельная теплоемкость компонентов; х

, ..., х

—со-

держание компонентов, %; x

+.. .+х„ =

100

Тепло- и термостойкость. Теплостойкость текстильных поло-

тен характеризуется обычно максимальной температурой, выше

которой наступает ухудшение свойств, препятствующее исполь-

зованию полотен. Для многих материалов, в том числе поло-

тен из синтетических волокон и нитей, теплостойкость отражает

их способность к размягчению.

Термостойкость характеризует верхний предел рабочих тем-

ператур в тех случаях, когда наступают необратимые измене-

ния свойств материала (деструкция). Знание теплостойкости

необходимо при оценке качества текстильных полотен, приме-

няемых в условиях тепловых обработок, их сушки, продолжи-

тельного, но не сильного нагрева, а также при кратковременном

нагреве до высоких температур, когда могут произойти изме-

1S1