книги из ГПНТБ / Кобляков А.И. Структура и механические свойства трикотажа

Зависимость между потенциальной энергией и характеристи­ ками структуры трикотажа, по Конопасеку, имеет следующий вид:

как в ней связываются характеристики упругости нитей и струк­ туры трикотажа. Практические наблюдения в ряде случаев под­ тверждают качественный анализ взаимосвязи характеристик структуры и внешних усилий. Однако и в этой модели не учиты­ вается сложное взаимодействие петель в точках контакта, эле­ ментарные звенья структуры рассматриваются изолированно от системы их взаимного расположения (переплетения) в условиях только упругого механизма растяжения. Таким образом повто­ ряются принципиальные недостатки ранее рассмотренных мо­ делей.

Взаимосвязь потенциальной энергии с характеристиками струк­

где Kn, KK— коэффициенты жесткости соответственно при изгибе

икручении;

Е— модуль первого рода; d — диаметр нити;

тл — модуль элементарного звена; Ln — длина нити в петле;

Ѳо — угол между касательной в произвольной точке кон­ тура петли и продольной осью.

Приняв сложную форму элементарного звена за форму винто­ вой линии и с учетом зависимостей (11-9) и (П-10), В. Н. Гарбарук и А. М. Бенцман делают вывод, что, чем больше величина модуля петли (длины нити в петле), тем меньше потенциальная энергия и, следовательно, менее устойчива форма петли.

В формулах (П-8) и (П-10) жесткость нити и ее диаметр при­ нимаются за постоянные. В действительности жесткость нити при деформировании и ее диаметр не являются величинами постоян­ ными, а изменяются во времени. По этой же причине уменьша­ ется во времени нормальное давление нитей в местах контакта элементарных звеньев. Поэтому зависимости (П-9), (П-10) и дру­ гие дают лишь ориентировочное представление об условиях рав: новесия структуры трикотажа.

Известно [41 и др.], что в полимерных материалах, характери­ зующихся, как правило, очень широким набором времен релак­

сации, всегда протекают медленные процессы эластического про­ исхождения. Вследствие этого и в трикотаже как полимерном ма­ териале внутренние напряжения могут сохраняться как угодно долго. Поэтому можно утверждать, что равновесное состояние трикотажа не является устойчивым, носит вероятностный харак­ тер, а конформации петель, параметры структуры (петельный шаг и высота петельного ряда) — переменные величины.

Известно также [42], что протекание релаксационных процес­ сов, связанных с перестройкой полимерных материалов, зависит не только от величины внешних воздействий, но и от соотношения энергии межмолекулярного взаимодействия и энергии теплового движения. Уменьшение энергии межмолекулярного взаимодейст­ вия, например при набухании нитей, или увеличение энергии теп­ лового движения, например при повышении температуры, приво­ дит к ускорению релаксационных процессов в нитях. Вследствие этого ускоряются релаксационные процессы деформации трико­ тажа при растяжении и равновесное состояние может наступить быстрее.

Таким образом, рассмотрение с точки зрения механики равно­ весного состояния трикотажа хотя и дает представление о воз­ можных конформациях элементарных звеньев, но не объясняет причин изменения равновесного состояния вследствие релакса­ ционных процессов.

Объяснение этим явлениям дают общие законы термодинамики. Поэтому ниже рассмотрено термодинамическое равновесное состоя­ ние трикотажа.

3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ ТРИКОТАЖА

Изменение внутренней энергии и энтропии при деформировании

Согласно первому закону термодинамики [34] изменение внут­ ренней энергии

где dQ — количество тепла, подведенного к системе; dA — величина работы, совершенной над системой.

Согласно второму закону термодинамики внутренняя энергия состоит из свободной и связанной. Связанная энергия — всегда тепловая и затрачивается на изменение расположения микроэле­ ментов структуры в системе. Параметром, характеризующим сте­

где Т — абсолютная температура; dS — изменение энтропии.

Свободная энергия, которая является упругой энергией и составляет часть потенциальной энергии, зависит не только от

внутренней энергии, но и от температуры и степени упорядочен­ ности микроэлементов (энтропии) в системе, т. е.

Из этого уравнения следует, что сопротивление материалов (тел), в том числе и трикотажа, деформирующим усилиям сопро­ вождается изменением как запаса их внутренней энергии, так и ве­ личины энтропии.

Важнейшим следствием этой закономерности является вывод о существовании двух различныхмеханизмов упругости: один свя­ зан с изменением только внутренней энергии при растяжении ма­ териала '(упругий), а другой — только с изменением энтропии (эластический). В случае упругого механизма изменяется расстоя­ ние между микроэлементами структуры, а в случае эластиче­ ского— форма структурных элементов.

Равновесное состояние трикотажа

Известно [41 и др.], что растяжение полимерных материалов связано с выпрямлением и увеличением степени ориентации скру­ ченных макромолекул и других структурных элементов (первый полуцикл), а при снятии внешних усилий и отдыха (второй полуцикл) возникают обратные процессы — самопроизвольное возвра­ щение к исходному состоянию и уменьшение длины. При растяже­ нии энтропия уменьшается, так как растяжение приводит к стати­ чески менее вероятному распределению конформаций структурных элементов, а при разгрузке, наоборот, энтропия увеличивается, так как самопроизвольные процессы в системе направлены в сторону равновесного состояния, т. е. к наивероятнейшему распределению конформации структурных элементов. И чем больше увеличивается

энтропия, тем меньше становится свободная энергия. В состоянии равновесия энтропия имеет максимальное значение и согласно вто­ рому закону термодинамики

Таким образом, для трикотажа как полимерного материала обязательным является эластический механизм растяжения, свя­ занный с изменением форм структурных элементов. Деформации как упругие, так и эластические, обратимы. Но если в первом слу­ чае процесс деформации быстротечен, то во втором — процессы длительны и характеризуются спектром времени.

Для трикотажа возможен и третий (пластический) механизм растяжения, связанный с необратимыми смещениями волокон или части микроэлементов структуры, с потерей старых связей и воз­ никновением новых. Это может привести не только к необратимому удлинению нитей, но и к необратимому изменению кривизны эле­ ментарных звеньев и смещению точек контактов нитей без пласти­ ческого течения (в чистом виде) элементов структуры.

Релаксационные явления и равновесное состояние

Самопроизвольный процесс, происходящий в трикотаже, как и в других системах, согласно законам термодинамики при задан­ ных внешних условиях приводит систему в равновесное состояние. Этот переход связан с релаксационными явлениями в трикотаже. Релаксационными называют явления, которые обусловливают пе­ реход системы к равновесному состоянию в результате теплового движения кинетических единиц. Такие изменения структуры три­ котажа, как усадка, наличие остаточной деформации при растяже­ нии, связанной часто с перетягиванием нити из одних участков эле­ ментарного звена в другие, объясняются характером течения ре­ лаксационных процессов, происходящих в структуре трикотажа.

При наличии процессов с длительными периодами релаксации в структуре трикотажа устанавливается относительно устойчивое равновесие (метастабильное состояние) с заторможенной или вы­ нужденной эластической деформацией. Это состояние может сохра­ няться в течение длительного времени даже при небольших по ве­ личине внешних силовых воздействиях.

Некоторыми процессами отделки трикотажных полотен (каландрованием, вытяжкой на шпанраме) искусственно фиксируется ме­ тастабильное состояние структуры. В этом состоянии трикотаж обладает достаточно высокими показателями упругости и при опре­ деленных условиях (времени действия и величине внешних усилий) форма элементарных звеньев будет достаточно устойчивой. При наличии перетягивания нитей из одних участков петель в другие также может возникнуть относительно устойчивое состояние струк­ туры трикотажа, так как новые внешние связи элементарных зве­ ньев будут превосходить силы упругого последействия. А так как процессы релаксации напряжения могут быть длительными, то и

устойчивое метастабильное состояние может также оказаться дли­ тельным. В конце концов развитие релаксационных процессов при­ ведет к изменению соотношения внешних и внутренних связей и система перейдет в новое устойчивое состояние. Такие переходы системы из одного равновесного состояния в другое будут происхо­ дить до тех пор, пока не завершатся релаксационные процессы.

Процессы релаксации значительно ускоряются при стирке, за­ мачивании трикотажа, когда ослабляется межмолекулярное вза­ имодействие и усиливается энергия теплового движения. Вследст­ вие этого происходит значительное изменение конформации эле­ ментарных звеньев и параметров структуры, известное в практике как явление усадки.

Приведенные выше положения теории деформирования трико­ тажа имеют большое практическое значение для совершенствова­ ния технологических процессов, создания высококачественных три­ котажных полотен. Например, М. Л. Абельский и В. Н. Гарбарук [43] разработали виброрелаксационный способ безусадочной от­ делки трикотажа, при котором благодаря вибрационным воздей­ ствиям смещаются контактные точки петель, вследствие чего уменьшается сопротивление перемещению нитей (ослабляются внешние, межнитевые связи) и релаксационный процесс деформа­ ции трикотажа резко ускоряется.

4. ФАЗОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ТРИКОТАЖА

Периоды растяжения

Исходя из положений классической теории упругости, допуска­ ется в соответствии с законом Гука, что напряжение всегда прямо пропорционально деформации и не зависит от ее скорости, А. С. Далидович [44] высказывает гипотезу о двух периодах растяжения трикотажа. В первом периоде при незначительных внешних напря­ жениях трикотаж растягивается за счет выпрямления дуг, во вто­ ром периоде растяжение трикотажа происходит за счет перетяги­ вания нитей из одних участков в другие, когда уже необходимы усилия, превосходящие силы трения и сцепления между нитями петель. Во втором периоде растяжения помимо сил трения возни­ кают и силы изгиба, которые могут значительно превосходить по величине силы трения. После снятия внешних усилий сильно изо­ гнутые в петле нити будут стремиться распрямиться за счет обрат­ ного перетягивания нитей из выпрямленных участков, однако си­ стема петель в трикотаже может не вернуться в первоначальное (исходное) состояние. Эти периоды названы А. С. Далидовичем «упругим» и «менее упругим».

П. И. Новодережкин [45], уточняя, выделяет при растяжении трикотажа четыре периода: 1) упорядочение петельной структуры без заметного изменения формы петель; 2) выпрямление петельных дуг; 3) перемещение нити без изменения длины нити в петле; 4) растяжение и расползание пряжи. Однако периоды эти условны

и практически не подтвердились. Например, второй и третий пе­ риоды (по Новодережкину) не могут происходить раздельно. Не­ определенен и первый период растяжения.

П. Дойль [27], как и А. С. Далидович, выделяет при растяжении трикотажа два периода: первый период соответствует изменению конфигурации петли, второй — начинается с растяжения нити. Им приводятся данные о том, что в первый период деформация три­ котажа составляет примерно 50% от разрывного удлинения, а на­ грузка— лишь малую часть от разрывного.

И. И. Шалов [10] отказался от деления процесса растяжения на периоды, так как, по его мнению, периоды не следуют один за другим, а протекают одновременно и, кроме того, с самого начала процесса растяжения, помимо упругих удлинений, развиваются также эластические и пластические. Механизм растяжения трико­ тажа рассматривается им как процесс нарушения внутреннего рав­ новесия системы петель, имевшегося до деформации, и перехода ее в новое состояние равновесия. Этот переход сопровождается изме­ нениями: а) конфигурации изогнутой в петли нити, когда одни участки выпрямляются, другие изгибаются более сильно в направ­ лении растяжения и в направлении сокращения, перпендикулярном растяжению; б) степени ориентации нити в петле; в) точек кон­ такта между нитями вследствие их смещения.

Экспериментальное исследование изменений структуры трикотажа

Для того чтобы уточнить механизм растяжения трикотажа, было проведено экспериментальное исследование изменений струк­ туры обычных стандартных трикотажных полотен различных пере­ плетений и укрупненных геометрических моделей. Модели трико­ тажа изготавливались из хлопчатобумажного шнура диаметром d = 5 мм при сохранении модуля петли трикотажа идентичных пере­ плетений. Это было сделано потому, что определить количествен­ ные изменения в размерах отдельных участков элементарных зве­ ньев в полотне в силу их малых размеров и пространственного рас­ положения очень сложно. На укрупненных моделях трикотажа размеры элемента и элементарного звена определяются практи­ чески на любом участке с достаточной точностью простыми изме­ рительными инструментами. Растяжение таких образцов проводи­ лось на разрывной машине с горизонтально закрепленными за­ жимами.

Изменения конформаций и взаимного расположения элементар­ ных звеньев в образцах обычных трикотажных полотен изучались с помощью световой микроскопии и фотосъемки. На специально изготовленном малогабаритном приборе (рис. ІІ-5) образец три­ котажа растягивался и просматривался под микроскопом на раз­ ных стадиях растяжения. Положение отдельных частей элементар­ ных звеньев и их форма фиксировались микрофотографированием или зарисовкой. Негативные изображения или копии рисунков на кальке накладывались друг на друга и отмечались отклонения от исходной конформации элементарных звеньев.

Обработка и анализ результатов исследования показали нали­ чие фазовых изменений структуры трикотажа при растяжении.

В процессе растяжения трикотажа можно выделить три ф азы (стадии) изменения его структуры. В начальной стадии растяже­ ния образца трикотажа увеличивается степень ориентации элемен­ тарных звеньев за счет ликвидации телескопического захода и сближения остовов петель в направлении, нормальном к силовому

нения кривизны нитей в элементарных звеньях, сопровождаю­ щиеся деформациями растяжения и сжатия, а при неравномерном натяжении отдельных участков нитей в элементарных звеньях и перетягиванием нити из одних, менее напряженных участков, в дру­ гие, более напряженные. Вследствие этого еще более сближаются

длине и, наоборот, увеличивается петельный шаг, уменьшается вы­ сота ряда и сближаются ряды при растяжении образца по ширине.

Деформация трикотажа на этой стадии растяжения также обратима. Однако восстановление исходных конформаций элемен­ тарных звеньев и их взаимного расположения происходит за более

длительное время, которое может достигать десятков и даже сотен часов и дней и зависит как от величины внешних усилий, так и времени их действия. Длительное время не восстанавливаются про­ межутки между петельными столбиками и петельными рядами, те­ лескопический заход, точки контакта элементарных звеньев.

Восстановление исходных конформаций элементарных звеньев и их взаимного расположения может быть ускорено замачиванием или стиркой образцов трикотажа.

В третьей фазе растяжения ориентированные участки нитей сильно растягиваются, а участки нитей в местах контакта получают большой изгиб и сжатие. Вследствие неравномерного натяжения волокна в пряже или элементарные нити в нитях в местах кон­ такта перемещаются.

На этой стадии возможны также смещения макро- и микроэле­ ментов структуры и даже разрушение нитей в зависимости от ве­ личины внешних усилий и длительности их приложения, т. е. воз­ можны необратимые процессы с нарушением прежних связей и конформаций элементарных звеньев. Например, телескопический заход, положение концов дуг и оснований остовов петель даже после влажно-тепловых обработок не восстанавливаются.

Такие изменения в структуре трикотажа соответствуют двум механизмам: эластическому с набором очень медленных, затормо­ женных процессов и пластическому, или необратимому.

Границы фазовых изменений структуры трикотажа

Фазовые изменения структуры трикотажа при растяжении про­ текают по-разному в зависимости от формы и размеров элемен­ тарных звеньев, степени ориентации отдельных участков нитей

вэлементарных звеньях и свойств нитей.

Втаблице II-1 приведены пределы деформаций (в долях от разрывного удлинения) некоторых образцов трикотажных полотен, соответствующие различным фазам изменения структуры.

При фазовых изменениях структуры трикотажа, как видно из табл. II-1, пределы относительных деформаций оказываются не­ одинаковыми для полотен разных переплетений.

Наиболее низки пределы относительных деформаций для три­ котажного полотна комбинированного переплетения трико-трико с одинаково направленными протяжками петель. Так, предел от­ носительной деформации при растяжении этого образца по ширине для первой фазы составляет всего 10% от разрывного удлинения, в то время как для полотен переплетений гладь, ластик— до 20%. Значительно ниже и пределы относительной деформации данного образца для второй и третьей фаз. Эти результаты свидетельст­ вуют о низкой формоустойчивости трикотажных полотен перепле­ тения трико-трико.

5. НАПРЯЖЕННОСТЬ НИТИ В ОТДЕЛЬНЫХ ЧАСТЯХ ЭЛЕМЕНТАРНОГО ЗВЕНА ТРИКОТАЖА

Отдельные части элементарного звена в силовом поле имеют разную степень ориентации. Естественно ожидать, что отдельные участки нити в зависимости от степени их ориентации будут испы­ тывать разную степень напряжения. Для уточнения механизма рас­ тяжения представляет определенный интерес выяснить действи­ тельный характер распределения усилий в отдельных частях эле­ ментарного звена трикотажа. Провести измерения усилий в нити на разных участках элементарного звена в полотне вследствие ма­ лых размеров звена оказалось невозможным. Поэтому эксперимент был поставлен на укрупненной геометрической модели трикотажа (рис. П-6, а). Для этого были использованы сконструированные ин­ женером Г. Ф. Кудрявцевым зажимы-датчики, схема которых по­

лочку наклеены тензометрические датчики сопротивления 4. За­ правленный в зажим участок нити разрезался в промежутке между парами губок. Незначительная длина этого участка нити и малое деформирование плоской пружины давали возможность закреплять зажим в различных точках элементарного звена (см. рис. П-6, а) практически без искажения его формы и переплетения.

Тензочувствительные (проволочные) датчики сопротивления со­ ставляли пары плеч 5 мостовой электрической схемы (рис. П-6, в) и подключались к входу каналов тензометрического усилителя 8АН4-7М, соединенного с феррорезонансным стабилизатором. За­ пись изменений усилий при растяжении трикотажа производилась на шлейфовом осциллографе Н-102.

Незначительные скорости нагружения исключили необходи­ мость частотного расчета элементов измерительной системы.

Замеры усилий на разных участках нити были проведены при растяжении вдоль петельных столбиков, вдоль петельных рядов, под углом 45° к ним и двухосном растяжении при продавливании

мембраной. Схемы участков элементарных звеньев трикотажа, на которых были поставлены датчики, показаны на рис. II-7. Замеры усилий получены лишь на стадии растяжения, соответствующей на­ чалу третьей фазы изменений структуры. При усилиях, близких к разрывным, надрезанные участки нити выскальзывали из за­ жимов.

Рис. ІІ-б. Модель для из­ мерения усилий в элемен­ тарном ^звене трикотажа:

а — внешний вид; 6 — схема за ­ жима-датчика; в — мостовая схема датчика

б

Приведенные в табл. 11-2 результаты испытаний подтверждают ранее высказанные предположения о неравномерном распределе­ нии усилий в нити на отдельных участках элементарного звена. Напряженность нити в отдельных участках элементарного звена в основном зависит от степени ориентации этих участков в сило­ вом поле.

Например, в образцах трикотажа переплетений гладь, ластик основную нагрузку при растяжении по длине принимают участки А, В (палочки), а при растяжении по ширине — участки Б, Г