Контрольные вопросы

1. Каким образом должна учитываться усадка после влажно-тепловой обработки и замачивания при расчете чертежей конструкции изделия?

2. Для чего должна учитываться усадка от влажно-тепловой обработки

изделия?

251

5.2. Влияние ультразвуковой сварки на структуру и прочность тканей из полиамидных нитей

Одним из основных направлений в развитии сырьевой базы швейной промышленности является увеличение объема текстиль­ных полотен, выработанных из химических волокон и нитей. В настоящее время в мировом производстве и потреблении доля химических волокон и нитей при выработке одежных тканей со­ставляет 50%, бельевых — 69%, технических — 91 %. Удельный вес полиамидных волокон и нитей среди основных видов хими­ческого сырья приближается к 30 %.

Специфические свойства полиамидных волокон и нитей (тер­мопластичность) предполагают для соединения деталей швейно­го изделия применять безниточные способы, в частности сварку. Однако широкое внедрение сварного способа соединения сдер­живается из-за низкой прочности соединений на расслаивание. Основной причиной низкой прочности на расслаивание является изменение структуры полимера в процессе сварки и образование наиболее слабой механически околошовной зоны.

Многочисленные исследования полимерных материалов пока­зали, что процесс разрушения протекает не одновременно по всему объему образца, а начинается с дефектных участков структуры, локальные напряжения в которых значительно превосходят сред­нее напряжение в образце. Процесс разрушения происходит в три стадии.

На первой стадии под действием растягивающей нагрузки часть связей в дефектных участках структуры перенапрягается, удлиня­ясь в 2...2,5 раза, вследствие чего ослабленные химические связи разрываются тепловыми флуктуациями.

На второй стадии образовавшиеся концевые микрорадикалы начинают реагировать с соседними микроцепочками, отщепляя атомы водорода и ослабляя близлежащие межатомные связи, что приводит к их термофлуктуационному разрыву с образованием новых микрорадикалов. На третьей стадии лавинообразное на­копление разрывов макромолекул, локализованное в отдельных участках полимера, приводит к возникновению зародышевых мик­ротрещин. Рост концентрации субмикротрещин до предельного значения вызывает макроразрушения полимерного образца.

Исследования механизма разрушения сварных соединений из материалов полиамидной группы подтвердили зависимость дол­говечности как температурно-временной характеристики от ве­личины предельно разрушающего напряжения, характеризуют.^" гося предельной статистической прочностью материала.

В ориентированных аморфно-кристаллических полимерах, к числу которых относятся полиамидные текстильные материалы,

252

роль слабых мест при разрушении играют аморфные межкристал-дические прослойки. При развитии больших деформаций в поли­мерах могут протекать два противоположно направленных про­цесса — аморфизация и кристаллизация.

Поведение сварных соединений при разрушении материала зависит не только от его свойств, но и от вида напряженного состояния, разного, например, для стачных и накладных швов. Этим во многом объясняется различная величина прочности для разных конструкций соединений: накладного — 40...60%, стач­ного — 20...30 % от прочности материала.

Анализ поведения стачного сварного шва под нагрузкой пока­зывает, что в то время, как материал образца деформируется, деформация в околошовной зоне затруднена, а ширина шва не меняется. Это приводит к возникновению дополнительных напря­жений, особенно значительных по краям образца, вызывающих появление трещины, которая быстро развивается в околошовной зоне.

Для стачного шва характерен квазихрупкий, а для накладных швов — вязко-упругий характер разрушения.

В работе [17] методом дифференциально-термического анализа показано различие в структуре зоны сварного соединения, вы­полненного ультразвуковой сваркой, и исходного материала. В зоне сварного соединения наблюдаются существенные структурные процессы перестройки, ведущие не только к увеличению разме­ров кристаллитов и степени кристалличности, но и к полной по­тере ориентации. Этот процесс осложняется для полиамидов по­лиморфным превращением из а- в р-кристаллическую модифи­кацию при нагреве до температуры 193 °С. Все это существенно снижает деформационно-прочностные показатели полимера, в ча­стности прочность на разрыв.

В табл. 5.4 приведены результаты дифракционного анализа, по­казывающие, что изменение структуры полиамида в процессе ультразвуковой сварки характеризуется некоторым снижением общей степени кристалличности и незначительным ростом раз­меров кристаллитов в направлении оси молекул.

Из-за малости фрагментов волокон в зоне шва и околошовной зоне в табл. 5.4 не представлен анализ функций разориентации кристаллитов.

Результаты дифракционного анализа сварного соединения из капроновой ткани позволили установить, что в зоне сварного Шва и околошовной зоне имеют место рекристаллизационные процессы и разориентация системы. В месте шва действие дав­ления и температуры ведет к частичному подплавлению воло­кон и их свариванию с образованием сплошной системы, кото­рая обеспечивает достаточную механическую прочность этого Участка. В околошовной зоне не происходит расплавления воло-

253

Таблица 5.4

Результаты дифракционного анализа сварного соединения из капроновой ткани (арт. 56023)

Исследуемый уча­сток сварного шва	Степень кристал­личности, %	Размер кристаллита, r*10-1Ом(200), (020)	Функция раз-ориентации, град
Исходный мате­риал	37	52	260
Околошовная зона	32	54	Не определена
Зона шва	28	57	Не определена

кон, однако термическое воздействие достаточно, чтобы про­изошли процессы рекристаллизации, ведущие к изотропии струк­туры. Поэтому при нагружении такой системы слабым местом оказывается околошовная зона, а не области шва или исходного материала.

В целях сохранения структуры полимера в зоне сварки приме­няют промежуточный слой из термопластичных пленок, порош­ков, клеев. Однако это приводит к повышению жесткости и тол­щины сварного соединения. Использование термопластичного промежуточного слоя обеспечивает в основном механическое сцеп­ление его с соединяемым материалом, претерпевающим в про­цессе сварки структурные изменения.

Принципиально новым направлением, обеспечивающим со­хранение структуры материалов полиамидной группы, является применение в качестве промежуточного слоя Полимеризацион­но способных реагентов, которые под действием ультразвука об­разуют со свариваемым материалом дополнительные химические связи.

В работе [25] в качестве Полимеризационно способного проме­жуточного слоя при ультразвуковой сварке использовались про­изводные поливинилового спирта — водорастворимые олигови-нилацетали. Они водорастворимы, безвредны, экологически чис­ты и доступны. Введение дополнительного промежуточного слоя водного раствора производных поливинилового спирта позволяет создавать дополнительные связи и однородную структуру зоны шва и околошовной зоны, которые приводят к повышению прочности околошовной зоны.

Введение Полимеризационно способного слоя при ультразву­ковой сварке материалов полиамидной группы позволяет суще­ственно повысить разрывную нагрузку соединений и довести ее на расслаивание до 50 %, а на сдвиг — до 70 % от прочности исходных материалов. На рис. 2, 3 показаны зависимости разрыв­ного напряжения о*_р от разрывного удлинения е₀ стачного и на-

254

Рис 2 Диаграмма «напряжение—удлинение» сварного стачного шва (ткань

арт. 56028):

1 — с промежуточным слоем из 5%-ного раствора поливинилформаля; 2 — без

промежуточного слоя

Рис. 3. Диаграмма «напряжение—удлинение» сварного накладного шва

(ткань арт. 56028): 1 — с промежуточным слоем из 5%-ного раствора поливинилформаля; 2 — без

промежуточного слоя255

кладного швов, выполненных без промежуточного слоя и с про­межуточным слоем.

Анализ швов показывает, что введение Полимеризационно спо­собного слоя в зону соединения повышает не только величину разрывной нагрузки, но и модуль жесткости при растяжении работу на разрыв. Это свидетельствует о повышении надежности и долговечности соединения. В целях уменьшения жесткости свар­ного соединения рекомендовано в Полимеризационно способный слой вводить пластифицирующую добавку. С помощью растровой электронной микроскопии установлено, что введение в зону свар­ного соединения Полимеризационно способных реагентов замед­ляет процессы рекристаллизации и деструкции волокон и спо­собствует сохранению их исходной структуры и механических свойств. В сварном соединении полимерный слой образует непре­рывную межволоконную фазу, обладающую в отличие от клеево­го соединения переменной жесткостью, с более высокой концен­трацией химических связей (сшивок) с поверхностями контакти-руемых волокон. Применение Полимеризационно способного слоя приводит к использованию более щадящего режима сварки, ко­торый сохраняет внешнюю целостность волокон даже в зоне шва, что позволяет получать более эластичное соединение.