Садыкова Ф.Х. и др. Текстильное материаловедение и основы текстильных производств

Подождите немного. Документ загружается.

Табл.

Полуцикловые характеристики волокон

нитей

при

растяжении

до

разрыва

Вид

волокна

или

нити

Плотность,

мг/мм

Относитель-

ная

разрывная

нагрузка,

сН/текс

Относитель-

ное

разрывное

удлинение,

Потеря

разрывной

нагрузки

мокром

состоянии,

Натуральные

хлопок

1,52

24—36

7-8

10-20

лен 1,5

40—60

2—3

Шерсть

1,32

11-14

25-35 20-30

шелк-сырец

1,34 50

22—25

Пряжа

хлопчатобумажная

—

12-14 6-7

—

кардная

14-16

Льняная сухого пряде-

—

14-16 2

—

ния

шерстяная

—

3-5

—

Шелковая

—

—"

Искусственные

Вискозные

волокно обычное

1,52 16-25 17-30

40-50

волокно высокомодуль-

1,52

32-49

16—20 28-30

ное

комплексная нить

1,52 16-18

17-25

40-50

Ацетатные нити

диацетатные

1,32

10-12

23-30 30-40

триацетатные

1,32

10—14 12-22

25-35

Синтетические

Полиамидные

волокно

1,14

30-35 40-100

5-10

комплексная нить

1,14

40-50 25—35

5-10

техническая нить

1,14

60-75

12-18

5-10

эластик

1,14

9-17

290-170

10-12

Полиэфирные

волокно

1,38

30-40 40-60

комплексная нить

1,38

34-45

15-30 0

Полиакрилонитрильные

17-30

10-15

волокно

1,16-1,18

23-36

17-30

10-15

техническая нить

120-1,24

30-45

11-20 2-3

Полипропиленовые нити

0,91

35-40 25-30

Поливинилспиртовые

1,26-1,32 30-35

17-25 10-25

нити

Поливинилхлоридное

во-

1,38

22-27 25-36

локно

Фторлоновое

1,96

46-55

8-10

Полиуретановое

1,00-1,30

5-10

599-800

Углеродное

1,60-1,80

170-280

0,8-1,2

межмолекулярное взаимодействие в волокнах и нитях и оказы-

вает влияние на показатели свойств.

Из натуральных волокон (см. табл. 2) наиболее прочными

являются лен и шелк, значительно уступает им шерсть, имея

по сравнению с ними в несколько раз большее удлинение при

разрыве. Наиболее высокие механические свойства характерны

для полиамидных и полиэфирных волокон и нитей. Все нату-

ральные волокна устойчивы к действию воды — во влажном

состоянии разрывная нагрузка их не только уменьшается не-

значительно, но в случае хлопка и льна даже увеличивается.

Разрывная нагрузка вискозного волокна в мокром состоянии

резко уменьшается, а синтетических волокон либо не снижает-

ся, либо снижается незначительно. Механические свойства пря-

жи всех видов намного ниже,, чем аналогичных волокон в ре-

зультате неполного использования их свойств.

ОДНОЦИКЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Особенности релаксационных свойств текстильных полимерных

волокон и нитей при растяжении описываются одноцикловыми

характеристиками,, которые получают при приложении к ним в

течение определенного времени нагрузок значительно меньших

разрывных значений с последующей разгрузкой и длительным

отдыхом. К этим характеристикам относятся полная деформа-

ция и ее составные части, выраженные в процентах,

= (L

-L)100/L = e

+ e

+ 8

, (56)

где L\ — длина пробы, мм, полученная в конце режима нагружения; L—

начальная (зажимная) длина пробы, мм; 8б, е

, е

•—составные части полной

деформации пробы, %: быстрообратимая (упругая), медленнообратимая (эла-

стическая), остаточная (пластическая).

Определяемые экспериментально упругий, эластический и

пластический компоненты для текстильных материалов имеют

условное значение (завышенное либо заниженное) по сравне-

нию с истинными их значениями. Поэтому, учитывая возмож-

ности аппаратуры и затраты времени на эксперимент, их стали

называть соответственно быстрообратимой, медленнообратимой

и остаточной деформациями.

Упругая (быстрообратимая) деформация проявляется со

скоростью звука в текстильном материале (1500—2500 м/с),

т. е. практически мгновенно, за доли секунды. Однако в экс-

перименте ее можно замерить лишь через 3—5 с после снятия

нагрузки с пробы. Упругая деформация является следствием

небольшого распрямления макромолекул за счет увеличения

межатомных расстояний. Сильные межатомные связи ограничи-

вают подвижность сегментов макромолекулярных цепей.

Эластическая (медленнообратимая) деформация обуслов-

лена свободой перемещения сегментов в цепи макромолекул.

Г]од действием внешних сил происходит изменение формы,

7§

Рис, 28. Диаграмма изменения деформа-

ции волокон и нитей во времени в режи-

ме нагрузки и отдыха

Рис. 29. Принципиальная схема релак-

сометра РМ-5 для нитей

15 .16

распрямление макромолекул из первоначальной свернутой кон-

формации, обратимое перемещение участков цепей и макромоле-

кул друг относительно друга. Перегруппировка макромолекул

связана с преодолением сил внутримолекулярного и межмоле-

кулярного взаимодействия, поэтому не может происходить бы-

стро. Чем труднее их преодолеть, тем медленнее развивается

деформация. Боковые ответвления разветвленных полимерных

структур также затрудняют перемещение макромолекул и этим

увеличивают время развития деформации.

Пластическая (остаточная) деформация является следстви-

ем необратимого смещения макромолекул друг относительно

друга на довольно большие расстояния под действием внешней

силы. В результате нарушаются старые силы взаимодействия

и на их месте возникают новые. Пластическая деформация мо-

жет явиться следствием возможного разрыва отдельных макро-

молекул под действием приложенной нагрузки. В пряже причи-

ной рассматриваемой деформации является также необратимое

смещение отдельных участков и целых волокон.

Пластическая деформация возникает постепенно под дей-

ствием нагрузки и после ее снятия остается в волокнах и ни-

тях. Таким образом, остаточная деформация представляет собой

сумму истинно необратимой деформации плюс часть медлен-

нообратимой деформации, не завершенной к концу экспери-

мента.

На рис. 28 показан характер изменения деформации е во

времени: под нагрузкой в течение времени Т

и после разгруз-

ки при отдыхе в течение Т

За время нагружения Т\ и отдыха, Т

релаксационный про-

цесс нарастания деформации во времени под нагрузкой и ее

исчезновения после разгрузки замедляется, материал приходит

в равновесное состояние, соответствующее данным условиям

окружающей среды.

Особенно полное и быстрое завершение релаксационных

процессов имеет место при набухании волокон и нитей. Повы-

шение влажности и температуры приводит к ослаблению сил

межмолекулярного взаимодействия и сил сцепления между от-

дельными элементами, что не только ускоряет время достиже-

ния равновесного состояния, но и влияет на величину дефор-

мации и ее составных частей.

Зная начальную длину пробы L (мм), длину к концу на-

гружения L\, сразу после разгрузки L

и после длительного

отдыха L

, можно определить значения ее составных частей

деформации, %:

Сравнивать характеристики разных видов волокон и нитей

можно по долям составных частей деформации, выражая их

отношением величин быстрообратимой, медленнообратимой и

остаточной деформации к полной. В сумме доли составных ча-

стей должны равняться единице.

Приборы, применяемые для определения одноцикловых ха-

рактеристик механических свойств текстильных материалов

при растяжении, называются релаксометрами. Наибольшее рас-

пространение получили приборы, работающие по методу сохра-

нения при растяжении пробы постоянной заданной нагрузки.

Принципиальная схема релаксометра РМ-5, разработанного

Г. Н. Кукиным и А. Н. Соловьевым, показана на рис. 29.

Прибор служит для одновременного испытания пяти нитей.

Испытуемую нить 2 закрепляют в нижнем неподвижном зажи-

ме 4 и верхнем зажиме /, подвешенном на ленте к блоку 10

и уравновешенном противовесом 7. Блок снабжен пальцем 11,

на который давит штифт 12, закрепленный на втором блоке 9.

Гибкая связь 8 этого блока соединена с цепью 5, с помощью

которой осуществляется нагружение нити. Величину нагрузки

= {Ь,-1

)ШЦ,

м_~ Х^-2— ^з) 100/L,

= (L

-L)100/L.

(57)

(58)

(59)

Ma Hhfb устанавливают поворотом з&ездочки 6, через которую

перекинута цепь. Под действием массы цепи штифт давит на

палец и оба блока поворачиваются против часовой стрелки,

передавая нагрузку на нить и растягивая ее. Расцепление бло-

ков 9 и 10 в момент разгрузки нити осуществляют с помощью

рычажной системы 16 через штифт 15. При этом блок 9 пово-

рачивается против часовой стрелки, блоки разъединяются, а

нить освобождается от нагрузки. Изменение длины нити при

нагрузке и отдыхе указатель 13 отмечает по шкале 14. В слу-

чае необходимости испытаний в воде или растворах снизу под-

водят стакан 3 с жидкостью, куда погружают нить вместе с

зажимами.

Определение на релаксометре составных частей деформации

рекомендуется проводить при следующих условиях: нагрузка на

нить должна составлять 25 % от разрывной; длительность на-

гружения 1,5 ч; отдых после разгрузки 2 ч.

Данные, полученные Г. Н. Кукиным, А. Н. Соловьевым и

Ф. X. Садыковой при исследовании полной деформации различ-

ных видов волокон и нитей, приведены в табл. 3. Наибольшей

обратимой деформацией характеризуются: из натуральных во-

локон — шерсть, а из синтетических — капрон, лавсан и нитрон.

Табл. 3. Показатели полной деформации и ее составных частей

основных видов волокон и нитей

Вид волокна или нити

Линейная

плотность,

текс

п-

Доли составных частей полной

деформации

Вид волокна или нити

Линейная

плотность,

текс

п-

Де

Ае

Д8

Хлопок средневолокни-

0,2 0,4 0,23 0,21

0,56

стый

Лен (техническое волок- 5

1,1

0,51 0,04 0,45

но)

Шерсть тонкая

0,4

4,5 0,71 0,16

0,13

Волокно

вискозное обычное

0,2 4,7

0,21

0,14

0,65

капроновое

0,4

9,5

0,71 0,13

0,16

лавсановое

0,3 16,2

0,49

0,24 0,27

нитроновое

0,6 8,6

0,45

0,26 0,29

Пряжа

0,22

хлопчатобумажная

3,7

0,22

0,14

0,64

кардная

1,8 0,22 0,11

льняная сухого пряде-

72 1,8 0,22 0,11 0,67

ния

шерстяная гребенная

42 3,7

0,30 0,22 0,48

лавсановая аппаратная

10,0

0,29 0,22 0,49

Шелк-сырец

2,5

3,3

0,3 0,31 0,39

Нить комплексная

вискозная

6,4 0,11 0,19

0,7

капроновая

6,3

0,76 0,21

0,03

Эластик (полиамид)

32 220,5

0,85 0,85

0,08

К одноцикловым характеристикам, получаемым при дефор-

мации кручения, относится равновесность нитей. При скручива-

нии нитей вследствие обратимости упругой и эластической де-

формации возникает крутящий момент, направленный в сторо-

ну, обратную скручиванию, величина которого и определяет

степень равновесности нитей.

Наиболее распространенный и простой способ оценки рав-

новесности состоит в том, что отрезок нити длиной 1 м склады-

вают пополам в виде петли и считают число витков, на которое

петля скручивается. Нить считается равновесной, если петля

образует не более шести витков. Неравновесные нити образуют

большее количество петель-сукрутин.

Поэтому важно правильно подобрать крутку, направление

крутки при повторном кручении нитей, а также выбрать надеж-

ный способ фиксации крутки.

Равновесность нитей по стандартной методике определяют

на приборе ПОН (ЛатНИИЛегпром), основными узлами кото-

рого являются держатель паковки, узел формирования петли и

узел счета витков в сукрутине. Нить с паковки пропускается че-

рез нитенаправители, к середине пробы подвешивается груз фор-

мирования петли, соответствующий линейной плотности нити.

Расстояние между зажимами равно 500 мм. После сведения за-

жимов под действием реактивного раскручивающего момента

нити ветви петли закручиваются, образуя сукрутину. По оконча-

нии закручивания петли включают электромагнит для фиксации

груза, при необходимости регулятором изменяется расстояние

между зажатой в зажимах пробой нити и верхней плоскостью

электромагнита. Включается устройство раскручивания петли и

с помощью разделяющей иглы определяется параллельность ее

ветвей. Сигнал датчика оборотов через формирователь импуль-

сов подается на индикатор, фиксирующий количество витков в

сукрутине.

МНОГОЦИКЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Многоцикловые характеристики механических свойств волокон,

нитей получают при приложении к ним многократно повторяю-

щихся нагрузок или деформаций, меньших, чем разрывные.

Устойчивость к многократному растяжению и изгибу во многом

определяет переработку нитей в ткани, качество пошива, срок

службы готовых изделий. При многократных воздействиях в

текстильном материале развивается усталость, которая харак-

теризует местное ухудшение свойств в результате расшатыва-

ния внутримолекулярной структуры волокон, разрушения меж-

волоконных связей в пряже и комплексных нитях, растаскива-

ния волокон, в итоге приводящих к их разрушению без потери

массы. '

Характеристиками механических свойств, с помощью кото-

рых оценивают влияние многократного растяжения на волокна

и нити, являются следующие:

выносливость п

, определяемая числом циклов многократно-

го растяжения, выдерживаемых материалом до разрыва;

долговечность т

— время от начала приложения нагрузки

до разрыва материала при заданной частоте циклов многократ-

ного растяжения.

Остаточная циклическая деформация е

— деформация,

накопившаяся в материале за время многократного растяжения.

Эта деформация состоит из пластической и частично эласти-

ческой (медленнообратимой) деформаций, которая не успевает

исчезнуть за чрезвычайно кратковременный отдых, так как пе-

риод ее релаксации больше, чем период отдыха между цик-

лами.

Остаточная циклическая деформация выражается процент-

ным отношением накопившейся при испытании абсолютной де-

формации к зажимной длине пробы.

Качество волокон и нитей тем выше, чем больше значение

их выносливости и меньше величина остаточной циклической

деформации. В свою очередь эти характеристики зависят от

условий испытания: величины заданной циклической деформа-

ции, на которую они растягиваются в каждом цикле, статиче-

ской нагрузки, зажимной длины, частоты циклов в 1 мин, тем-

пературы и влажности среды.

Испытания материалов следует проводить при установлен-

ной заданной циклической деформации е

(на которую в каж-

дом цикле растягивают пробу), близкой к пределу выносли-

вости.

Предел выносливости е

— это наибольшее значение задан-

ной циклической деформации, при которой материал выдержи-

вает до своего разрушения огромное число циклов растяжения

(порядка 10

—10

циклов).

Если значение предела выносливости неизвестно, то необхо-

димо провести предварительные испытания при разных значе-

ниях заданной циклической деформации, построить кривую вы-

носливости, по которой и определить его.

Приборы, применяемые для определения механических

свойств текстильных материалов при многократном растяжении,

называются пульсаторами.

В практике испытаний на многократное растяжение широко

используется пульсатор ПН-5, разработанный МТИ совместно

с ЦНИХБИ, схема которого показана на рис. 30.

От электродвигателя 1 через ременную передачу движение

передается валу 4, с которым жестко связана синусная голов-

ка 8, а от нее толкателю 5, осуществляющему возвратно-посту-

пательное движение верхнего зажима 7. Необходимый ход

верхнего зажима 7 устанавливают передвижением планки 10

Рис. 30. Схема пульса-

тора ПН-5

по шкале синусной головки 8, ослабив стопорный винт 11. Для

повышения точности хода используют микрометрический винт

9. Проба нити с зажимной длиной /, равной 200—500 мм, за-

крепляется в верхнем зажиме 7, устанавливаемом на защелку

6, и нижнем зажиме 16, расположенном на боковой поверхности

замка 15. Упор 13 служит для фиксации нижнего зажима 16

при установке начальной (зажимной) длины пробы. Замок 15

с нижним зажимом может двигаться по направляющему стерж-

ню 12 только вниз в момент появления остаточной циклической

деформации нити. Для возврата нижнего зажима 16 в исход-

ное положение и его фиксации служит нижний замок 18, пере-

мещение,которого осуществляется при нажатии на язычок фик-

сатора 19. Нижний замок 18 имеет контакт 17, который связан

с электрическим счетчиком числа циклов. При обрыве нити кон-

такт 17 размыкается, так как замок 18 с грузами 14 падает на

нижний упор 21 и контакт 17 взаимодействует с контактным

проводом 20. Количество циклов растяжения отмечается счет-

чиками, расположенными на передней панели блока управления

(на рисунке не показан). Число счетчиков соответствует коли-

честву одновременно испытуемых проб нитей (10). Счетчики

управляются герконами 2, которые взаимодействуют с постоян-

ными магнитами 3, закрепленными па валах синусных ме-

ханизмов,

При многократном изгибе на малом участке характерно рас-

шатывание структуры волокон, нитей за счет интенсивного на-

рушения внутриволоконных и межволоконных связей. В прак-

тике испытаний применяют многократный двойной изгиб (изгиб

пробы в обе стороны на ±90°) с одновременным растяжением

при статической нагрузке и радиусе изгибающих губок 0,2—-

0,4 мм.

Способность волокон и нитей выдерживать действие много-

кратных изгибов характеризуется выносливостью п„, т. е. чис-

лом циклов двойных изгибов, выдерживаемых материалом до

разрушения (табл. 4).

Табл. 4. Показатели многоцикловых характеристик волокон и нитей

при растяжении и изгибе

Вид волокна или нити

Линейная

плотность,

текс

Предел

выносливости

при растя-

жении, %

BbiHocJ

ТЫС. L

при растя-

жении

ивость,

циклов

при изгибе

Волокна

хлопок

0,2

0,5 5

шерсть

0,3 — —

300

вискозное

0,2

— — 30

ацетатное

0,2

— —

капроновое

0,2

— —

500

нитроновое

0,3

— —

200

Пряжа

хлопчатобумажная

0,6-0,8

3,8

льняная сухого прядения

0,5-0,7

4 0,3

шерстяная гребенная

8,5

Комплексные нити

вискозная

0,6-0,8

капроновая

29 6,5-7 200

500

Выносливость к изгибу зависит от следующих условий: ра-

диуса, по которому изгибаются пробы, угла изгиба и статиче-

ской нагрузки на пробу.

Приборы, применяемые для определения выносливости к из-

гибу, называют изгибателями или вибраторами. В практике

испытаний широко применяют прибор Sinus для волокон и

АИТН ДР-5 для нитей.

6. СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Сорбция — сложное физико-химическое явление поглощения

твердыми или жидкими телами газов, паров, растворенных ве-

ществ и микроскопических твердых частиц, например дымов.

Частным случаем сорбции является поглощение текстильными

материалами из окружающей среды паров воды, которое суще-

ственно влияет на физические свойства волокон и нитей, в том

числе на размеры поперечного сечения, массу, тепловые, ди-

электрические, оптические свойства, а также на механические

(например, разрывную нагрузку при растяжении, способность

деформироваться и др.).

В зависимости от предварительного содержания в волокнах

и нитях водяных паров, в данных условиях окружающей среды

(температуре и относительной влажности воздуха) может про-

текать процесс сорбции (дальнейшее поглощение водяных па-

ров) или обратный процесс (отдача паров в окружающую сре-

ду, называемая десорбцией).

Тело, поглощающее газообразные вещества, называется сор-

бентом:, а поглощаемое вещество — сорбатом.

Если сорбция не сопровождается образованием химического

соединения между сорбентом и сорбатом, она называется физи-

ческой сорбцией, а в противном случае — химической сорбцией.

Процессы, составляющие физическую сорбцию, обычно обра-

тимы.

Если волокна или нити из среды с меньшей относительной

влажностью попадают в среду с большей относительной влаж-

ностью, начинается процесс поглощения водяных паров внешней

поверхностью волокон или нитей, так как поверхностные моле-

кулы имеют большое силовое поле и притягивают к себе моле-

кулы воды из окружающей среды. Чем больше влажность сре-

ды и меньше влажность сорбента, тем больше молекул воды

удерживается на его поверхности. Поглощение паров воды по-

верхностными слоями сорбента называется адсорбцией. При

изменении условий окружающей среды процесс адсорбции или

десорбции протекает очень быстро — в течение нескольких се-

кунд или долей секунды.

Благодаря наличию каналов пор, а также пустот между

крупными структурными образованиями и макромолекулами

действительная поверхность сорбции волокон или нитей значи-

тельно больше видимой наружной поверхности. По мере насы-

щения наружных поверхностей молекулы воды проникают в

межмолекулярные пространства, т. е. имеет место диффузион-

ный процесс, называемый абсорбцией, характеризующий погло-

щение водяных паров всем объемом волокон и нитей. Молекулы

воды, имеющие размеры на несколько порядков меньше разме-

ров молекул полимеров, из которых состоят волокна и нити,

имеют возможность свободно проникать в пространства между

ними. Абсорбция протекает медленно, и равновесие достигается

по истечении нескольких часов.

При смачивании стенок капилляров водой происходит сжи-

жение паров воды в стенках капилляров. Этот процесс длится

долго (несколько часов) и называется капиллярной конденса-

цией, '