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

Состояние вопроса

Большинство исследователей считает, что прочность при растя­ жении и разрывное удлинение являются не единственными, но важ­ ными свойствами, от которых зависит долговечность тканей. Во­ просы, касающиеся прочности тканей, рассматриваются многими исследователями.

В. М. Купчикова в кандидатской диссертации показала зави­ симость разрывных нагрузок льняных тканей по основе и утку, прочности пряжи в тканях и прочности пряней, извлеченной из тканей,, от процента заполнения по основе и утку. По ее данным, в большинстве случаев наблюдается отсутствие изменений или увеличение прочности как тканей, так и пряжи с увеличением за­ полнения по основе и утку. Однако в некоторых случаях отмеча­ ется уменьшение прочности пряжи, извлеченной из ткани; проч­ ность основы из ткани при увеличении заполнения по этой системе до 40% увеличивается, после чего начинает падать. Это наблюда­ лось и при увеличении плотности (заполнения) по утку. После механических воздействий (выколачивание) отмечалась потеря прочности ткани до 15%.

Вработе И. С. Марголина [59] показана зависимость стойкости

кистиранию шерстяных тканей от их разрывной нагрузки.

Учитывая, что уплотнение нитей в ткани и уплотнение вслед­ ствие крутки — явления одного и того же порядка, представляет интерес рассмотрение причин изменения прочности пряжи при изменении крутки. Наиболее полно такой анализ выполнен Н. М. Белициным, который показал, что при увеличении крутки возрастают силы сцепления между волокнами, увеличивается ко­ личество одновременно разрываемых волокон, вследствие чего раз­ рывная нагрузка увеличивается. При увеличении крутки сверх определенного значения (критическая крутка) разрывная на­ грузка пряжи уменьшается. Н. М. Белицин показал, что основной причиной уменьшения прочности пряжи является увеличение на­ пряжения волокон, которое может и не сопровождаться их повреж­ дением. Чем выше это напряжение, тем меньшая его величина тре­ буется при испытаниях для достижения разрушающего значения. Другие возможные причины снижения прочности (увеличение на­ клона волокон и уменьшение осевой проекции, разрушение воло­ кон) не являются существенными.

Н. Г. Новиков при изучении хлопчатобумажных тканей пока­ зал, что прочность пряжи .в ткани зависит от величины трения между волокнами; решающее влияние на эту величину оказы­ вает сопротивление изгибу системы нитей, противоположной испы­ туемой, которое при прочих равных условиях зависит от порядка фазы строения ткани.

Б. П. Поздняков [60], рассматривая вопрос о прочности тка­ ней, ввел понятие о к о э ф ф и ц и е н т е с ж а т и я . Этот коэффи­ циент должен характеризовать как сжатие пряжи в ткани, так и внутреннее напряжение волокон в пряже. Г. В. Семенов и В. А. Ко-

80

ротков [25], используя указанное положение Б. П. Позднякова, показали, что при увеличении плотности хлопчатобумажной ткани по утку прочность основы возрастает до определенного предела, а затем вследствие роста внутренних напряжений уменьшается. Изучение указанными авторами тканей различных переплетений показало, что наиболее высокую прочность имеют ткани полотня­ ного переплетения.

О.Иогансен [45] отмечает, что использование прочности основы

вткани может быть неполным (80-^95%), так как нити основы лег­ ко получают различное натяжение в приготовительных опера­ циях. Для утка постоянное натяжение осуществить легче, вслед­ ствие чего использование его прочности может быть выше 100%. Хорошая степень использования прочности связана с равномерным натяжением нитей и с сильным сжатием их в результате перепле­ тения.

П.В. Власов в кандидатской диссертации изучил некоторые механические свойства хлопчатобумажных тканей трех переплете­ ний (полотняного, саржевого, сатинового) в увязке с производи­ тельностью и влиянием основных параметров заправки ткацкого станка. Он установил, что изменение параметров заправки станка в меньшей степени влияет на механические свойства тканей, чем на обрывность нитей и производительность в ткачестве. Найдены

оптимальные значения параметров заправки ткацкого стайка при выработке тканей указанных переплетений, которые обеспечивают повышение производительности труда и максимальные показатели механических свойств. Величина прибойной полоски является кри­ терием процесса формирования ткани, при ее росте увеличивается обрывность нитей, процесс формирования ткани ухудшается.

Ф. М. Розанов [43] провел значительную работу по установле­ нию зависимости между структурой и свойствами (прочность и удлинение) тканей из вискозных комплексных нитей. Он показал значение изменений площади поперечного сечения и изгибов нитей в ткани в формировании их свойств под влиянием плотности по утку при двух переплетениях — полотняном и атласном. С увели­ чением плотности по утку прочность этой системы нитей в ткани сначала увеличивается, достигая максимума, а затем падает. Аб­ солютное увеличение прочности утка в ткани атласного перепле­ тения больше, чем в тканях полотняного переплетения. При изме­ нении плотности по утку более резкие изменения свойств наблю­ даются при полотняном переплетении. Прочность утка из ткани меньше, чем прочность этой же нити в ткани.

Прочность ткани по основе ниже при полотняном переплетении, чем при атласном. Рассматриваемая работа представляет боль­ шой интерес, так как содержит многие предпосылки для вывода о возможности оптимизации плотности и других факторов строе­ ния ткани.

Далее Ф. М. Розанов [18] показал, что изменение прочности тканей, различных по волокнистому составу, при изменении их плотности не является одинаковым: прочность тканей тем выше,

чем меньше длина перекрытия и больше число пересечен. Ф. М. Ро­ занов подчеркивает большое значение изучения работы разрыва тканей.

В работе Ф. М. Розанова и Н. Ф. Сурниной, посвященной изу­ чению тканей из вискозного волокна, получены данные, близкие к изложенным выше. В ней подчеркивается большое значение напряжений, возникающих в тканях.

Н. А. Архангельский [29] отмечает, что при выработке плотных тканей основа подвергается большему воздействию, что должно отразиться на прочности ткани; однако при повышении плотности увеличивается связь между нитями, что сопровождается повыше­ нием прочности ткани, частые взаимные пересечения нитей повы­ шают прочность тканей — наибольшая прочность достигается при полотняном переплетении. Чем рыхлее пряжа, чем менее она упрочнена круткой, тем большее влияние будет оказывать пере­ плетение на степень упрочнения нитей в ткани.

Н. С. Еремина [19, 28] при изучении тканей из хлопка и вис­ козного волокна пришла к выводу, что увеличение числа связей упрочняет ткань за счет увеличения трения между нитями; си­ стема нитей с большей плотностью имеет большую уработку и больший охват нитей противоположной. системы, а это создает

показывает, что прочность полоски ткани больше, чем соответ­ ствующей группы ните'й, что объясняется действием пересечен по­ перечных нитей. Влияние пересечен имеет следствием локализа­ цию разрыва и увеличение взаимодавлення волокон в пряже, что увеличивает прочность. При увеличении изгибов нитей относи­ тельная прочность ткани уменьшается вследствие большего на­ пряжения нитей, лежащих под большим углом к плоскости ткани

вмомент растяжения.

Д. И. Куликов [61] на основе изучения бязей и миткалей по­ казывает, что при увеличении углов охвата нитей повышаются

сила трения и коэффициент использования прочности пряжи

вткани.

В.П. Шмулевич в кандидатской диссертации приходит к про­

тивоположному выводу. Он пишет, что одной из причин, понижаю­ щих коэффициент прочности пряжи в ткани, является волнообраз­ ное расположение основы и утка. Сравнение прочности тканей полотняного, саржа 2/2, саржа 1/2 и атласного переплетений пока­ зало, что снижение коэффициента использования пряжи в ткани полотняного переплетения является наибольшим. Автор объясняет это наличием наклонных к направлению растяжения участков ни­ тей, показывая, что в момент разрыва ткани в ней не происходит выпрямление нитей, вследствие чего они испытывают большее на­ пряжение.

Ф. Ф. Васильев [27] отмечает, что прочность нити в ткани больше прочности ее в свободном состоянии до ткачества вслед­ ствие увеличения числа одновременно разрывающихся волокон

82

и силы трения между ними. Сила трения зависит от плотности ткани и переплетения. Увеличение прочности пряжи в ткани тем больше, чем меньше ее прочность, полученная в результате крутки.

М. И. Павлова [30] приводит следующую формулу для опреде­ ления прочности ткани Рр:

В работе не раскрывается содержание коэффициентов, однако из формулы (149) вытекает однозначный ответ о повышении проч­ ности ткани при увеличении ее уплотненности и сил взаимодейстия.

С. Рихтер [62] при изучении хлопчатобумажных тканей при­ шел к выводу, что увеличение числа пересечен в ткани ведет к по­ вышению ее прочности и стойкости к истиранию.

Д. Фесер и С. Андерсон [63] на основё изучения камвольных тканей главных переплетений пришли к выводу, что при полотня­ ном переплетении ткани имеют наибольшую прочность на разрыв при постоянном кроющем факторе.

И. И. Дуковская в кандидатской диссертации при изучении льно-лавсановых тканей установила, что повышение заполнения ведет к увеличению коэффициента использования прочности пряжи

вткани.

Н.В. Васильчикова, изучая лавсано-вискозные ткани, полу­ чила данные о наличии некоторого максимума расчетной нагрузки по основе при увеличении плотности и изменении соотношения

плотностей. При увеличении числа связей между нитями основы и утка расчетная разрывная нагрузка увеличивается.

Дж. Грегори [64] показал, что разрывная длина текстильных материалов из хлопка вследствие ухудшения использования проч­ ности волокнаі убывает в ряду: волокно, одиночная пряжа, пасма, ткань., При увеличении плотности разрывная длина ткани увели­ чивается.

Наиболее полно вопросы прочности тканей изучены в работах К- И. Корицкого [14]- Им показано, что прочность полоски ткани равна суммарной прочности нитей при растяжении (с учетом не­ однородности по напряжениям) плюс нагрузка от действия сил трения, возникающих вследствие сил сжатия их нитями другой системы. Силы взаимного давления между основой и утком обус­ ловливают повышение агрегатной прочности деформируемой си­ стемы вследствие выравнивания напряжений и увеличения степени сцепления волокон в пряже.

Исходя из этой гипотезы, разрывная нагрузка ткани, прихо­ дящаяся на одну нитьѲц, будет:

держится однозначного ответа по вопросу о влиянии строения ткани на ее прочность при растяжении. При увеличении изгиба ни­ тей прирост нагрузки от действия сил трения возрастает, а вслед­ ствие уменьшения cos ß0 разрывная нагрузка должна уменьшаться. Рассмотренная формула не учитывает, что под влиянием деформа­

Ай-Си-Ай показала уменьш ение коэффициента использования проч­ ности пряжи по основе и утку при увеличении заполнения по соответствую щ ей системе.

Изложенное показывает отсутствие единства взглядов иссле­ дователей на вопросы, касающиеся не только количественных за­ кономерностей, но и характера влияния строения тканей на их прочность при растяжении. Основные взгляды по рассматривае­ мому вопросу можно свести к следующему:

1) . любое уплотнение ткани вследствие повышения трения ве­ дет к увеличению ее прочности;

2)уплотнение ткани за счет повышения плотности' ведет к из­ менению расчетной прочности с наличием некоторого максимума;

3)уплотнение ткани за счет более уплотненного переплетения

реплетения ведет к уменьшению прочности вследствие наличия большего количества участков нитей, расположенных наклонно к направлению действия силы, которые к моменту разрушения не успевают выпрямиться.

Вопрос о зависимости полуцикловых характеристик от строе­ ния тканей недостаточно ясен, так как основные работы выпол­ нены на хлопчатобумажных тканях трех — пяти переплетений. Мало изучены свойства тканей комбинированных переплетений, которые, по данным М- Д. Жупиковой, имеют следующую специ­

84

фику: нити в тканях непараллельны, форма и величины нх изги­ бов, а также длины перекрытий неоднородны, что и создает по­ нижение величины прочности.

Слабо изучены полуцикловые разрывные характеристики тка­ ней из различных химических волокон, доказательств аналогич­ ности влияния строения на свойства у таких тканей не имеется. Мало внимания уделено исследованию работы разрыва.

Ни в одной из рассмотренных работ достаточно последова­ тельно не рассматривается и не учитывается показанная в главе взаимозависимость величины связи структурных элементов ткани и степени их напряженности к моменту испытаний или эксплуата­ ции. В то же время необходимость учета напряжений, испытывае­ мых нитями в тканях, вытекает из отмеченных выше и из работ П. А. Ребиндера, Н. С. Журкова, В. А. Каргина и Г. Л. Слоним­ ского, В. А. Берестиева. На необходимость учитывать способность химических (в частности, вискозных) нитей изменять физико-меха­ нические свойства под влиянием нагрузок значительно меньших разрывных указывает М. Н. Белицын. На полуцикловые разрыв­ ные характеристики большое влияние оказывает масштабный фак­

и утку. В главе 2 эти различия показаны на материалах выра­ ботки и изучения строения тканей, отличающихся по величине коэффициента наполнения.

Некоторые авторы особое значение уделяют изучению работы разрыва. Г. Берингер [33] считает, что показатель работы растя­ жения (особенно обратимого) является центральной характеристи­ кой в системе оценки качества текстильного материала.

Представляет интерес работа А. Паризо [49], который утверж­ дает, что единственным фактором, учитывающим одновременно ме­ ханические свойства волокон и факторы строения нитей и тканей, является «остаточная работоспособность волокна», представляю-

. щая собой разность величины всей работы, которую может совер­ шить волокно, и «скрытой работы», которая уже была совершена в результате комплекса деформаций, заставивших волокно при­ нять свою форму в нити и в ткани.

Г.Н. Кукин [24] подчеркивает отсутствие однозначного ответа

овеличине расчетной разрывной нагрузки тканей. Отношение этой нагрузки к первоначальной прочности пряжи может коле­ баться в значительных пределах, принимая значения как меньше, так и больше единицы; (от 0,8 До 1,5) в зависимости от строения ткани, равномерности механических свойств нитей и других фак­ торов.

В работах ряда исследователей [14, 29, 61] для характеристики степени рациональности структуры тканей применяется коэффи­ циент использования прочности пряжи в тканях: В литературе отсутствуют подробные указания о методике расчета этого по­ казателя, в то время как такой расчет требует учета изменений

85

прочности материалов, происходящих с течением времени. Некото­ рые данные по этому вопросу приведены в наших работах.

В табл. 16 приведены данные о разрывной нагрузке и удлине­ нии вискозной пряжи во временной зависимости после выработки.

Т а блица 16

Изменение величины разрывной нагрузки и удлинения вискозной пряжи с течением времени

Из табл. 16 видно, что с течением времени разрывная нагрузка пряжи увеличивается, наблюдается некоторое увеличение и раз­ рывного удлинения. Аналогичные явления отмечены и при испы­ таниях тканей. Это указывает на то, что коэффициент использо­ вания прочности нитей в тканях должен определяться в условиях специально поставленного опыта при параллельном испытании как тканей, так и нитей, из которых они выработаны.

Принципиально важным является вопрос о причинах и меха­ низме влияния строения тканей на их< свойства. Остается невыяс­ ненным вопрос о том, на какой стадии осуществляется это влияние:

вмомент (в процессе) испытания (эксплуатации) вследствие раз­ личия в характере и величинах деформации или еще до испытания (эксплуатации) вследствие различия в состоянии структурных элементов в тканях неодинакового строения. Важность этого во­ проса состоит в том, что при возникновении механизма влияния строения тканей на их свойства в процессе испытаний (эксплуа­ тации) улучшение свойств тканей возможно только путем подбора их рационального строения. Если влияние строения заложено до начала процесса испытания (эксплуатации), большое значение мо­ жет иметь и другой путь улучшения свойств тканей — снятие остаточных напряжений путем применения физико-химических ме­ тодов или уменьшения первоначальных напряжений, возникающих

впроцессе выработки тканей, нитей и волокон.

Рассмотрим действия основных факторов при уплотнении тка­ ней с точки зрения формирования их прочности. Все эти факторы могут быть разделены на две группы: 1) факторы, действие кото­ рых потенциально возникло до процесса деформирования тканей при испытаниях или эксплуатации; 2) факторы, действие которых возникает в процессе деформирования тканей. К факторам первой группы следует отнести показанное формулой (44) увеличение связи между волокнами и изменение состояния их напряженности, а также масштабный фактор числа разрываемых нитей Мч и

86

длины деформируемых участков нитей, фиксированных полями контакта Мл. При уплотнении тканей возрастает число деформи­ руемых нитёй и действие Мч отрицательно, но при этом умень­ шается длина фиксированных участков, вследствие чего действие

.Мд положительно. К факторам второй группы, оказывающим влия­ ние на прочность тканей непосредственно в процессе деформиро­ вания, следует отнести изменение связи между волокнами и ни­ тями, изменение напряжений на внутренней и внешней сторонах нитей в вершинах их волн, возникающее вследствие деформирова­ ния. Сюда же следует отнести и изменение формы образца при не­ которых методах испытаний.

Учитывая отмеченную многофакторность зависимости прочно­ сти и других полуцикловых разрывных характеристик тканей от их уплотненности, следует сделать вывод, что наиболее рациональ­ ным путем исследования данного вопроса в настоящее время яв­ ляется экспериментальный путь изучения как тканей, так и нитей, извлеченных из них. В качестве рабочей гипотезы формирования Прочности тканей была использована следующая зависимость, представленная в общем условном виде:

(152)

где Рр — разрывная нагрузка ткани; 2ЯВ— суммарная прочность (разрывная нагрузка) волокон в се­

чении ткани;

начала деформирования ткани — по формуле (44);

АСД — увеличение связи между волокнами при деформировании; ДЯд — увеличение напряжения при деформировании. Определение полуцикловых характеристик в нашей работе про­

изводили на разрывной машине РМ-250. При установлении пара­ метров испытаний учитывали работы И. С. Морозовской [65] и Г. Н. Кукина [24]. И. С. Морозовская показала, что, на фактиче­ скую разрывную нагрузку, регистрируемую прибором, оказывают влияние мощность шкалы, скорость опускания нижнего зажима, продолжительность испытания (время воздействия напряжения). ' С увеличением мощности шкалы при прочих одинаковых усло­ виях разрывная нагрузка оказывается выше. С увеличением ско­ рости опускания нижнего зажима разрывная нагрузка оказывается выше. Отмеченное находится в соответствии с временной флуктуа-

ционной теорией прочности.

Г. Н. Кукин отмечает, что различные режимы нагружения различным образом изменяют структуру деформируемого мате­ риала.

Испытания всех образцов проводились при одной рабочей шкале мощностью 250 кгс и длительности разрыва 25—35 с. Такое

87

различие во времени разрыва не могло внести погрешности в зна­ чения разрывной нагрузки, превышающие 1%.

Оценку погрешности проводили путем использования данных И. С . Морозовской, которая установила закономерность изменения

разрывной нагрузки от продолжительности разрыва для трех шкал мощности. Показано, что при всех шкалах зависимость раз­ рывной нагрузки.от длительности процесса растяжения носит при­ близительно гиперболический характер. Изменения разрывной на­ грузки (ее уменьшение) происходят при увеличении длительности растяжения сначала резко, затем эти изменения носят затухающий характер. При длительности растяжения 20 с и выше разрывная нагрузка изменяется не более 1% на 20 с изменения продолжитель­ ности разрыва.

Влияние переплетения

Влияние переплетения на полуцикловые разрывные характери­ стики тканей изучали в зависимости от коэффициента уплотнен­ ности С при условии постоянной плотности по основе и утку.

Ткани из вискозного волокна. В табл. 17 приведены значения абсолютной разрывной нагрузки, разрывного удлинения, коэффи­ циентов использования прочности пряжи в тканях (/Си) и пряжи, извлеченной из ткани (/Сиз), абсолютной и относительной работы

разрыва по основе для готовых тканей из вискозного волокна од-

Т а б л и ц а 17

Полуцикловые разрывные характеристики готовых вискозных тканей различных переплетений (по основе)

88

ного варианта по. плотности (Бб). Коэффициенты наполнения этих тканей изменялись в пределах от 72 (С = 0,54) до 106% (С = 1,0). Разрывная нагрузка пряжи в свободном состоянии к моменту ис­ пытаний была 820 сН.

Коэффициент полноты диаграммы по данным планиметрирова­ ния для тканей из вискозного волокна составил 0,51 ± 0,01.

Из табл. 17 видно, что при изменении вида переплетения полу­ цикловые разрывные характеристики могут изменяться в значи­ тельных пределах: абсолютная разрывная нагрузка изменяется приблизительно на 15%, разрывное удлинение — максимально на 40%> коэффициент использования прочности пряжи в ткани — на

16—20%, абсолютная работа разрыва — на 50%, относительная работа разрыва—-на 60%. Наблюдаются изменения прочности пряжи, извлеченной из тканей с различными коэффициентами уп­ лотненности переплетения.

Из рис. 28 видно, что абсолютная разрывная нагрузка при увеличении коэффициента уплотненности переплетения несколько увеличивается, достигает максимума при его значении 0,63, после

чения коэффициентов использования прочности пряжи в ткани Ки и условный коэффициент прочности пряжи, извлеченной из ткани Киз, что имеет первостепенное значение для выяснения причин из­ менения прочности тканей при изменении их переплетения.

Зависимость Рр, /(„ и КцЭ от коэффициента уплотненности пере­

Значения коэффициентов в формуле (153) при расчете указан­ ных выше показателей приведены в табл. 18.

89