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

По формулам (28) и (29) порядок фазы строения можно опре­ делить точнее, чем по таблице Н. Г. Новикова [16].

Применяя выведенные формулы, можно найти условия обра­ зования нулевого порядка фазы строения и его значения для наме­

и (20), получим формулы для расчета нулевого порядка фазы строения ткани Ф:

(29), можно найти зависимость нулевого порядка от соотношения толщин основы и утка с учетом сплющивания в ткани.

Порядок фазы строения не дает достаточно исчерпывающей информации о расположении нитей в ткани. Этот показатель дол-

.жен быть дополнен величиной выступания одной системы над другой — АТ с обеих сторон ткани.

Найдем взаимозависимость АТ и порядка строения ткани Ф. Высота волны, выступающей на поверхность нити, равна сумме величинывыступания и толщины нити, котораяне выступает на

20

Рассматриваемые зависимости связаны с толщиной ткани Тт, которая представляет собой сумму меньших поперечных сечений (толщин) нитей и величины выступания:

Найдем из формулы (39) значение Ь0. К+ 6У. к и подставим в фор­

Из формул (40) и (41) следует, что при наличии данных о коэф­ фициентах сплющивания в ткани хотя бы по одной из систем нитей порядок фазы строения может быть определен по двум величи­ нам — Гт и АТ, измерение которых можно произвести без разруше­ ния ткани.

Величина АТ определяется как с одной, так и с другой стороны ткани. При этом могут быть использованы методики: вертикального хода тубуса микроскопа при последовательной наводке на резкость по вершинам волн основы и утка, фотограмметрии (работы Т. Н. Верман, Д. Г. Лазишвили).

Формулы, несколько отличающиеся от приведенных в нашей ра­ боте, но также позволяющие вычислять порядок фазы строения с большей величиной градаций, приводятся в кандидатской диссер­ тации Ц. 3. Бачева.

Следует отметить, что при одинаковой высоте волны нити сте­ пень ее кривизны, а следовательно и деформации^ может быть раз­ личной в зависимости от длины волны. Указанная особенность мо­ жет быть учтена применением коэффициента концентрации дефор­

Уплотнение, связь, напряжение и релаксация в нитях, заработанных в ткань

Исследования пряжи [11, 45], а также комплексных нитей [13, 46] показали, что при увеличении крутки возникают уплотнение нити и уменьшение ее поперечных размеров, следствием чего яв­ ляется увеличение связи между волокнами при одновременном по­ вышении их деформации и напряжения, полная релаксация кото­ рого не происходит.

Последующие механические воздействия на нити в процессе подготовки их к ткачеству ведут, как показано Г. Н. Кукиным и другими [9, 47], к увеличению их деформации (напряжения) с одно­ временным ослаблением связи между волокнами и ухудшением ме­ ханических свойств. Эти данные хорошо согласуются с результа­

21

тами работ ііо исследованию твердых тел, выполненных Н. С. Жур­ ковым, Г. М. Бартеневым и другими, которые подчеркивают, что ни одно механическое воздействие не проходит бесследно для твер­ дого тела, вызывая глубокие изменения его структуры.

Происходящая в процессе ткачества заработка нити в ткань вызывает дополнительную ее деформацию и дальнейшее увеличе­ ние напряжения.

Вопросы изменения состояния нитей при заработке в ткань рас­ сматриваются в ряде работ.

О. Иогансен [45] отмечает, что благодаря переплетению в ткани нити получают дополнительное сжатие, которое ведет к увеличе­ нию силы трения между волокнами, степень этого эффекта зависит от величины крутки. Если она велика, дополнительное сжатие нитей в ткани может не оказать отмеченного влияния. Изменение состоя­ ния нитей в ткани рассматривается здесь односторонне — опу­ скается вопрос о напряженности.

Л. Г. Лейтес подчеркивает, что в процессе ткачества нити в тка­ нях получают большие продольные деформации. Это подтвер­ ждается снижением удлинений и другими данными.

Д. М. Жупикова [18] пишет, что величина уработки и усадки со­ стоит из двух частей: одна из них является действительным увели­ чением длины нити, а другая возникает под действием внешних сил и проявляется в виде накапливаемой длины нити в результате высокоэластических и пластических деформаций. Это подтверж­ дается тем, что длина нити, извлеченной из ткани', изменяет свои размеры по сравнению с размерами ее в ткани.

В. Гамбургер [32] считает, что на свойства ткани значительное влияние оказывает релаксация пряжи, которая значительнее про­ является при саржевом и репсовом переплетениях, чем при полот­ няном.

Е. К. Зворыкина в кандидатской диссертации рассматривает процесс формирования ткани с точки зрения всех изменений, про­ исходящих с момента прибоя в течение трех месяцев, во время ко­ торых проходят релаксационные процессы.

вткань в более деформированном и напряженном состоянии.

Ф.Ф. Васильев [27] подчеркивает зависимость величины уплот­ нения и деформации нитей в ткани от их первоначальной плот­ ности, упругости волокон и количества изгибов на единицу длины, которое зависит от плотности переплетения и числа нитей на еди­

ницу длины.

Затронутые: вопросы рассматриваются и в ряде других работ [16, 28, 40]. Анализ изученных работ показывает, что рассматривае­ мые явления уплотнения, связи, напряжения и релаксации нитей в тканях к настоящему времени слабо изучены; не установлены ос­ новные закономерности зависимости их от факторов и показателей строения тканей, не предложено достаточно точных характеристик,

22

описывающих указанные изменения; не выяснено в достаточной степени влияние рассматриваемых явлений на механические свой­ ства тканей.

Рассмотрим некоторые вопросы, касающиеся характеристики состояния нитей в тканях различного строения, в частности различ­ ной степени уплотненности.

При выработке тканей различного строения (вопрос рассматри­ вается для условия постоянства прочих факторов) величина дефор­ мации нитей будет различна. Эта величина может быть характери­ зована степенью общей кривизны путем применения показателей

формуле 42). Деформация нитей вызовет соответствующее напря­ жение волокон,- неодинаковое в ткднях различной уплотненности и различающееся как средним значением, так и величиной концентра­ ции. Одновременно увеличится уплотнение нитей, что приведет к увеличению связи между волокнами и нитями в ткани. Очевидно, что концентрация напряжения связана с концентрацией продоль­ ной деформации и уплотнения нитей в ткани.

Изложенное показывает, что между величиной связи и напря­ жением волокон в нити существует взаимозависимость. Нельзя увеличить связь между волокнами путем выработки более уплот­ ненной ткани, не повысив их напряжение. Все рассматриваемые процессы связаны, следовательно, с величиной уплотнения нитей в тканях. З'та величина связана с изменением площади попереч­ ного сечения нитей. Таким образом, для характеристики уплот­ нения ткани может быть использован коэффициент изменения площади поперечного сечения нити в ткани £, определяемый по формулам (10) и (13). При использовании этого коэффициента необходимо учитывать нелинейность связи между напряжением и площадью поперечного сечения нити.

Заметим, что для характеристики рассматриваемых процессов совершенно недостаточно использовать понятие о смятии (сплю­ щивании) нитей в тканях, что имеет место во многих работах [39, 40, 41, 42].

Дальнейшее состояние нити в ткани следует рассматривать с точки зрения возможности проявления релаксации деформации и напряжения. Возможность проявления релаксации деформации в ткани весьма ограничена, что связано с наличием большого внут­ реннего трения между волокнами и нитями. Имеющая место ре­ лаксация деформации после снятия ткани с ткацкого станка, а также в процессе отделки не изменяет общую картину слабого проявления релаксации деформации в ткани. Показанное позволяет рассматривать дальнейшее состояние нитей в тканях (после их вы­ работки) для условия постоянной деформации.

Первоначальный уровень напряжения нитей (волокон) в ткани зависит от ее уплотненности, причем эта картина усиливается еще и показанной А. Виткаускасом и А. Матуконисом обратной релак­ сацией напряжения в разгруженном образце: обратное возрастание

23

напряжения тем больше, чем выше первоначальное напряжение и скорость разгружения.

Для случая постоянной деформации Т. Алфрей [7] в соответ­ ствии с моделями Максвелла и Фойгта показывает, что с течением времени наблюдается снижение напряжения 5 в образце по экспо­ ненциальному закону:

где So — коэффициент, зависящий от предыстории образца, харак­ теризует величину первоначального напряжения;

/ — время;

т— коэффициент, зависящий от химического состава и струк­ туры (отношение модуля сдвига к вязкости).

Уменьшение напряжения с течением времени приводит к улуч­ шению механических свойств текстильных нитей [48]. В нашей ра­ боте приводятся данные об улучшении некоторых механических свойств тканей из вискозного волокна в течение некоторого времени после выработки.

Закон уменьшения напряжения для нитей одинакового волокни­ стого состава следует считать одинаковым, вследствие чего в лю­ бой момент времени после выработки остаточное напряжение и средняя его величина будут тем больше, чем выше было первона­ чальное напряжение.

В соответствии с флуктуационной временной теорией прочности механохимические разрушения в полимерах тем больше, чем выше величина действующего напряжения (температура полагается по­ стоянной). Очевидно, что зависимости, найденные для условий по­ стоянного напряжения, справедливы и для средних значений на­ пряжения, изменяющегося во времени. Из рассмотренного следует, что с повышением уплотнения ткани увеличивается величина связи между волокнами, которую можно считать не зависящей от вре­ мени. Одновременно с увеличением уплотнения повышается напря­ жение волокон (среднее значение его зависит от первоначальной величины и возможности релаксации деформации). С повышением уплотнения ткани возрастает как первоначальная величина напря­ жения нитей, так и его среднее значение, так как возможности релаксации деформации в более уплотненных тканях оказываются ниже вследствие возрастания связи между волокнами и нитями.

В соответствии с рассмотренным показатель любого механиче­ ского свойства нити в ткани следует рассматривать с точки зрения величины действующих связей и напряжений, изменяющихся во времени. Например, прочность нити в ткани может быть охаракте­

2 - J ( Т ’ в . О ----- & Р в )

где U — коэффициент отношения суммарной величины связи между волокнами в ткани к их суммарной прочности; Со — величина связи между волокнами до момента заработки

нити в ткань;

24

ДС — прирост величины связи между волокнами в нити вслед­

увеличения их напряжения при заработке нити в ткань (с учетом релаксации напряжения с течением времени после выработки ткани).

Следует заметить, что влияние уплотнения нити в ткани на уве­ личение связи между волокнами АС зависит от исходного значения величины этой связи С0. Указанное подтверждается данными неко­ торых авторов [28] о том, что одинаковый эффект прочности тканей различного строения достигается при использовании пряжи различ­ ной плотности. На различие поведения нитей, находящихся в струк­ туре тканей, от свойств этих нитей в одиночном, изолированном виде указывает А. В. Матуконис [49].

. Величина ДЯВв значительной мере зависит от предыстории нити и, как показано выше, изменяется под воздействием увеличения на­ пряжения при возрастании уплотненности ткани и с течением вре­

Из отношения (44) следует, что прочность нити в ткани достиг­ нет максимальной величины при оптимальном соотношении вели­ чины связи между волокнами и степени их напряжения. Отмечен­ ное составляет основу гипотезы о возможности оптимизации строе­ ния ткани.

НАПОЛНЕНИЕ ТКАНЕЙ

Поставленная задача изучения механических свойств тканей требовала достаточно точной характеристики их уплотненности.

Из числа известных показателей строения наиболее полно соот­ ветствовал этому требованию коэффициент наполнения ткани, по своему смыслу практически равнозначный величине уплотненности ткани. В связи с этим нами проведены исследования в области изу­ чения и совершенствования метода расчета коэффициента напол­ нения тканей.

Анализ известных методов расчета коэффициента наполнения тканей

Расчет коэффициента наполнения тканей производится обычно относительным методом: отношением фактической плотности к мак­ симальной. Различают коэффициенты наполнения, рассчитываемые по каждой системе в отдельности и для ткани в целом.

Наибольшее распространение в практике имеют методы расчета коэффициентов наполнения отдельно по основе и утку, основанные на использовании формул Т. Ашенхерста [17, 42]:

ң , Рр (4рЛ0 -j- dytу) _ ң Р у (dyiiy -г dot0) /45ч

где п0, пу — число нитей основы и утка в раппорте;

to, ty — число полей связи по одной нити в раппорте.

25

Недостатки данного метода расчета состоят в том, что коэффи­ циент наполнения определяется по величине расчетного диаметра, по одному разрезу нити, без учета порядка фазы строения ткани щ представляет собой линейную величину. Несмотря на существенные недостатки, указанный метод расчета вследствие своей простоты находит большое применение.

Учитывая недостатки рассмотренного метода, Е. Эрмитедж и В. Лоу [17, 18, 42] предложили разделить все переплетения с рав­ ными средними длинами перекрытий на три группы: саржевые, са­ тиновые и панама (рогожка) с установлением соответствующих по­ правочных эмпирических коэффициентов в зависимости от группы переплетения.

Метод расчета плотности ткани, по В. Лоу, широко применяется в некоторых зарубежных странах, его рекомендует, например, ан­ глийская компания «Империал Кемикал Индастриз».

Наличие эмпирических коэффициентов ограничивает развитие этого метода и не позволяет применять данный метод для расчетов тканей .мелкоузорчатых комбинированных переплетений.

Наибольшее распространение получил метод расчета макси­ мальной плотности, разработанный С. Брайерлеем [17]. Согласно

состава и структуры нитей; F — средняя длина перекрытия;

т — эмпирический коэффициент, зависящий от характера пе­ реплетения.

Значения коэффициента т определены С. Брайерлеем и состав­ ляют для переплетений: полотняного— 1,0, саржевого — 0,39, ро­ гожка — 0,45, атласного — 0,42. Данный метод является сугубо эмпирическим, применение его возможно только для тех переплете­ ний, для которых С. Брайерлеем определены значения коэффи­ циента т.

Определенное препятствие к применению метода С. Брайерлея состоит в наличии эмпирического коэффициента А.

Л. Г. Лейтес [20] для получения максимальной плотности в нор­ мальных условиях ткач~ества приводит следующие значения коэф­ фициента А: для хлопчатобумажных тканей — 41,8, суконных — 40,9, камвольных — 42,7. Многие авторы пришли к выводу, что ве­ личину А следует брать выше, чем указано.

Отмеченное показывает, что формула С. Брайерлея лишь в сла­ бой форме отражает влияние на максимальную плотность волок­ нистого состава нити.

О. С. Кутепов [18] подвергает критическому анализу методы расчета Т. Ашенхерста, В. Лоу, Е. Эрмитеджа. Он показывает, что наиболее практически точен метод С. Брайерлея; для практических

26

расчетов по этому методу он выводит показатель степени уплотне­ ния, определяемый в долях единицы из следующего отношения:

где Ркв.ф — фактическая плотность ткани (квадратного строения). В. П. Шмулевич [50], пользуясь данным методом для расчетов шерстяных тканей с синтетическими волокнами, показывает, что при ф=1,0 ткачество практически становится невозможным. Он от­ мечает, что возможность применения степени уплотненности ср в ка­ честве характеристики напряженности заправки ограничена че­ тырьмя переплетениями, тогда как для других вариантов перепле­

тения значения степени т не установлены.

Вработе М. С. Бородовского [37] изучается объемное заполне­ ние тканей, которое зависит от их плотности и плотноемкости пере­ плетений. В работе приводятся значения «плотноемкости» некото­ рых (главных) переплетений, но не указывается метод расчета этого показателя. Все это делает невозможным применять рассмат­ риваемый метод для тех переплетений, коэффициенты которых не были рассчитаны автором, например для всех комбинированных переплетений.

Вто же время М. С. Бородовский отмечал большую перспек­ тивность и значительные возможности совершенствования тканей путем применения комбинированных мелкоузорчатых переплетений.

Н.С. Ереминой [19, 28] предложены коэффициент переплетения

икоэффициент связности ткани, которые в определенной степени могут характеризовать уплотненность и наполнение ткани. Указан­

Н. С. Ереминой является отсутствие учета особенностей уплотнен­ ности и свойств тканей, имеющих различные переплетения с одина­ ковым коэффициентом переплетения.

В работах Н. X. Уразова [51] рассматриваются вопросы закреп­ ления нитей в ткани. Им предложен коэффициейт строения ткани, при расчете которого, кроме показателей, используемых в формуле Н. С. Ереминой, учитывается соотношение высот волн основы и утка. Данное дополнение к формулам Н. С. Ереминой представляет существенный интерес.

' Л. Г. Лейтес предложил метод расчета наполнения ткани и раз­ вил вопрос о выравнивании наполнения по основе и утку в тканях с различным соотношением плотностей. Для расчета наполнения им предложена следующая формула:

До, Ру — плотность по основе и утку;

ßo, ßy — углы наклона основы и утка в ткани.

27

Данный метод представляет собой ■существенный шаг по пути к совершенствованию метода расчета наполнения тканей. К недо­ статкам этого метода следует отнести отсутствие учета особенно­ стей переплетений с одинаковыми средними длинами перекрытий, но с различным их расположением.

В. А. Воробьев [42], основываясь на так называемом весовом балансе ткани, предлагает определять ее наполнение как среднее арифметическое (взвешенное) из значений наполнений по основе и утку:

Выражение наполнения тканей в виде полусуммы наполнений по системам нитей нашло довольно широкое распространение, од­ нако получаемые при этом данные не имеют определенного физи­ ческого смысла. Наиболее существенным недостатком метода сред­ ней арифметической является получение равных значений напол­ нения тканей при постоянной сумме плотностей, но различном их соотношении. Кроме этого, при определении Н0 и Ну используются формулы Т. Ашенхерста, которые не могут дать достаточно точных результатов.

М. Н. Никитин считает, что процент наполнения ткани зависит от связности переплетения. Он указывает, что при смене рисунка переплетения в целях удовлетворения эстетических запросов потре­ бителя необходимо следить, чтобы процент наполнения оставался почти постоянным. Данное толкование значения величины наполне­ ния в этом случае сужено.

К. Петцольд [52] предложил характеризовать общее наполнение

Определение ‘наполнения по системам основывается на теории пересечения диаметров, вследствие чего данный метод нельзя счи­ тать достаточно точным.

Н. Ю. Беркович [38] предложил определять коэффициент напол­ нения поверхности ткани как произведение наполнения по основе

и утку:

(51)

Н0 и Ну определяют с учетом углов изгиба нитей в ткани и ко­ эффициентов напряженности переплетения, которые находят по формулам

где ko, ky — число перегибов основы и утка в раппорте; п0, пу — число нитей в раппорте;

п' — число свободных нитей в раппорте;

а— коэффициент, зависящий от распределения перекрьітий по поверхности ткани.

28

Для переплетений с равномерным распределением перекрытий а = 2,0, а при неравномерном распределении перекрытий (по диаго­ нали) сс = 2,8.

Работа Н. Ю. Берковича имеет существенное значение в разви­ тии методов расчета наполнения тканей, но не лишена значитель­ ных недостатков. К ним относятся: недостаточное обоснование фи­ зической сущности показателя наполнения ткани как произведения наполнений по основе и утку и введение эмпирического коэффи­ циента а, определение которого опытным путем для ряда перепле­ тений практически невозможно (комбинированные переплетения).

И. В. Ильин [41] предложил определять наполнение тканей по основе и утку с учетом высоты волны утка, определяемой по вели­ чине усадки ткани по ширине после снятия ее с ткацкого станка. Данный метод не учитывает характера расположения перекрытий в раппорте переплетения, вследствие чего не может обеспечить до­ статочной точности расчетов при переплетениях всех видов.

В. Эскобе [23] считает, что определение максимальной плотности по коэффициенту связности не может быть достаточно точным. Для повышения точности расчетов он вводит понятие частичного и пол­ ного наслоения перекрытий, т. е. расположения их одного над дру­ гим (имеет место при расположении короткого перекрытия рядом с длинным перекрытием). В результате наслоения пространство, занимаемое короткой нитью, сокращается, а плотноемкость пере­ плетения увеличивается. Плотноемкость увеличивается и в том слу­ чае, если два перекрытия одинаковой длины находятся точно рядом друг с другом (переплетение рогожка).

Преимущества метода В. Эскобе состоят в учете того обстоя­ тельства, что на максимальную плотность ткани влияют не только длины перекрытий, но и их взаимное расположение в раппорте пе­ реплетения. Недостатки метода состоят в том, что величины сокра­ щения пространства при наслоениях перекрытий носят эмпиричес­ кий характер, в работе отсутствуют их обоснование и объяснение физической сущности увеличения плотноемкости переплетений под влиянием наслоений и рядом расположенных перекрытий одина­ ковой длины.

Дж. Гамильтон показывает Зависимость максимальной плот­ ности ткани от боковых изгибов нитей на примере сравнения сар­ жевых переплетений и переплетения панама (рогожка). В работе Дж. Гамильтона имеются некоторые неточности: при построении тканей саржевых переплетений полагается, что перекрываемые нити соприкасаются как по основе, так и по утку. Наши исследо­ вания показали, что в действительности в тканях саржевых пере­ плетений соприкосновение нитей под перекрытием возможно только по одной из систем (имеющей большую плотность).

М. Альфорд обосновывает необходимость применения при рас­ четах тканей относительных методов, приводит данные о сравнении коэффициентов уплотненности переплетений при определении их методами Т. Ашенхерета, В. Лоу, С. Брайерлея и предлагает при расчете максимальной плотности учитывать углы изгиба нитей,

29