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

Части остова (А и В) только изменяют свое положение. В этой фазе растяжения датчики фиксируют наличие значительных уси­ лий на участках Б и Г и незначительных на участке В. Процесс переориентации во второй фазе растяжения сопровождается пере­ тягиванием нити из менее натянутых в более натянутые участки петли. К концу этой фазы уменьша­ ется неравномерность натяжения от­ дельных участков петли.

В заключительной стадии растяже­ ния перетягивание нити из одних уча­ стков петли в другие заканчивается, однако неравномерность в напряжен­ ности нитей остается. Максимально нагруженными оказываются те участ­ ки нитей петель, которые в начале растяжения были почти не натянуты.

При двухосном растяжении все участки нитей в элементарном звене нагружены. Но степень равномерно­ сти натяжения нитей в разных уча­

нии участки нити в петле образца трикотажного полотна перепле­ тения ластик. А в образце трикотажного полотна переплетения гладь датчики зафиксировали во всех участках нити в петле оди­ наковое усилие.

Г Л А В А III

КИНЕТИКА РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРИКОТАЖЕ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

Выше было показано, что основной особенностью механизма растяжения трикотажа является его релаксационный характер. Процессы растяжения трикотажа сопровождаются выравниванием напряжений в элементах его структуры • и изменением конформа­ ций элементарных звеньев. Эти процессы протекают во времени. Определение скорости и-характера кинетики таких процессов пред­ ставляют существенный интерес как с теоретической, так и прак­ тической точки зрения. Правильное установление технологических режимов вязания и отделки трикотажа и прогнозирование поведе­ ния трикотажа в условиях эксплуатации существенно облегчаются при наличии такой информации.

Ниже приводятся результаты экспериментального изучения ки­ нетики релаксационных процессов в трикотаже, поскольку релакса­ ционные явления в трикотаже стали изучаться сравнительно не­ давно.

1. РЕЛАКСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

Для исследования характера течения в трикотаже релаксацион­ ных процессов напряжения был изготовлен макет прибора экстеш зометра, описание которого приведено ниже (глава IV). По резуль­ татам исследования построены графики изменений усилий (напря-

£,°/о

жений) во времени при постоянном растяжении образцов трико­ тажа (рис. 111-1, 0, 6). Графики показывают, что процесс релакса­ ции напряжений в трикотаже при растяжении является типичным для релаксационных процессов полимерных материалов, когда время течения процессов соизмеримо со временем наблюдения.

За сравнительно малое время растяжения образца до заданной величины деформации успевают произойти лишь частичные изме­ нения макро- и микроэлементов структуры трикотажа, поэтому на­ пряженность нити в отдельных участках элементарных звеньев ока­ зывается разной. Вследствие этого после окончания растяжения начинаются процессы изменения конформации элементарных зве­ ньев трикотажа, перемещения нитей из одних, более напряженных участков в другие, менее напряженные. В результате таких пере­ мещений напряженность отдельных участков элементарных звеньев структуры трикотажа выравнивается и напряжение в образце уменьшается, пока не наступит равновесное состояние.

рактер: быстрый спад сразу же по окончании растяжения с после­ дующим резким замедлением падения напряжений и почти полным прекращением процесса через 1—2 ч (см. рис. Ш-1, б левая часть графика). После разгрузки деформация образца убывает (см. рис. Ш-1, а, правая часть графика). При этом напряжение в образ­ цах падает настолько значительно, что датчики не улавливают его (см. рис. Ш -1, б, правая часть графика).

Отсутствие необходимой аппаратуры не дало возможности ши­ роко обследовать процессы релаксации напряжения в трикотаже при растяжении.

2. РЕЛАКСАЦИЯ ДЕФОРМАЦИИ ТРИКОТАЖА

Прямые релаксационные процессы

Исследование процессов релаксации деформации трикотажа было проведено при постоянной нагрузке, когда напряжение в эле­ ментах структуры трикотажа по мере роста деформации увеличи­ вается. Этот способ исследования релаксационных явлений в тек­ стильных материалах прост, легко доступен и нашел широкое при­ менение при испытании волокон и нитей. Изменения деформации, как правило, значительны по величине, замеры их можно произво­ дить достаточно точно и простыми средствами. Подробно методы испытаний и аппаратура описаны ниже.

Наиболее важным при изучении релаксационных процессов в трикотаже при растяжении является вопрос характера течения процессов релаксации. Исследования показали, что течение ре­ лаксационного процесса деформации трикотажа, подобно релакса­ ции напряжений (усилий), носит экспоненциальный характер и в однородных, нормальных условиях опыта процесс продолжается десятки и сотни часов, даже при относительно невысоких на­ грузках.

Из данных, приведенных в табл. Ш-1, видно, что деформация образцов трикотажных полотен разных переплетений сразу же по приложении нагрузки (3—5 с) достигает 50—80% от конечной де­ формации, а через 1—3 ч — 85—90%. Однако полное равновесное состояние при действии внешних усилий не достигается даже за 15 суток.

Течение процесса не является плавным. В ряде случаев, осо­ бенно при растяжении образцов вискозного полотна переплетения двуластик, при длительном (более 24 ч) растяжении постоянной нагрузкой наблюдались явления скачкообразного изменения де­ формации образца и притом весьма значительного (до 10%). Это может быть объяснено следующим. Элементарные звенья струк­ туры трикотажа в постоянном силовом поле ориентируются, напря­ жения в отдельных частях звеньев постепенно выравниваются за счет перемещений нитей в направлениях, нормальном и бинормаль­ ном к силовому полю, перетягивания из менее, напряженных участ- - ков в более напряженные. Для перемещения необходимо преодо­

леть энергию взаимодействия отдельных частей элементарных звеньев и микроэлементов нити. Если внешней энергии недоста­ точно для преодоления энергии взаимодействия, то образец не удлиняется. С течением времени в результате релаксационных про­ цессов в нитях сопротивление энергии взаимодействия уменьша­ ется и появляются условия для нового перемещения нитей в уча­ стках петель. При этом возможно явление скольжения вследствие значительного смещения контактных точек. Известно, что коэффи­ циент трения скольжения меньше коэффициента трения покоя, по­ этому перемещения могут протекать очень быстро. Скольжение происходит до тех пор, пока силы, вызвавшие скольжение, не урав­ новесятся вновь возникшими связями в местах контакта.

Благоприятные условия для скольжения обычно имеются в на­ чальной стадии растяжения, когда ликвидируется телескопический заход петель. На второй стадии растяжения возможности для скольжения уменьшаются и наблюдаются сравнительно редко. Явления заметного скольжения, подобные описанному, оказались возможными, по-видимому, потому, что в начальной стадии растя­ жения не было условий для более полного перетягивания нитей из более напряженных участков элементарных звеньев в менее на­ пряженные.

Прямые релаксационные процессы трикотажа при растяжении очень длительны, даже при малых нагрузках, а уровень изменения деформации зависит не только от величины внешних усилий, но и от структуры трикотажа, и в первую очередь степени ориента­ ции структуры. Например, из четырех образцов трикотажных поло­ тен (см. табл. Ш-1) элементарные звенья вискозного трикотаж­ ного полотна переплетения цепочка-сукно имеют наибольшую сте­ пень ориентации, поэтому, хотя нагрузка на образцы составляла 10% от разрывной (для остальных 2%), уровень деформации у об­ разцов этого полотна оказался самым низким.

Самый высокий уровень деформации имеют трикотажные по­ лотна переплетения ластик при растяжении по ширине. Степень ориентации по ширине элементарных звеньев этого полотна мини­ мальна. Для подавляющего большинства образцов трикотажа тех­ ническое равновёсие* (при 15-суточном наблюдении) наступает через 1—3 ч от начала действия внешних усилий.

Обратные релаксационные процессы

Обратные релаксационные процессы деформации трикотажа так же длительны и неравномерны, как и прямые. Даже 45-днев­ ный отдых не дает полной уверенности в завершении релаксации деформации (см. табл. Ш-1). После снятия внешних усилий про­ цесс возвращения элементарных звеньев к исходной до деформа-

* Техническое равновесие, по Г. Н. Кукину [46], такое состояние, при кото­ ром величина нарастающей (исчезающей) деформации отличается от полной (остаточной) деформации, полученной при полном равновесии, не более чем на 10— 15%.

T a б л и ц a III-l

Величины деформаций трикотажа при растяжении в зависимости от времени действия внешних усилий, приложенных вдоль петельных рядов

(% от зажимной длины образца)

ции конформации оказывается не однозначным, а представляет со­ бой множество релаксационных процессов, идущих одновременно, но с различными скоростями, т. е. процесс со спектром времени релаксации. Одни участки элементарных звеньев трикотажа и микроэлементов нити очень быстро восстанавливают исходную кон­ формацию, другим же для возвращения прежних связей необхо­ димо длительное время. Поэтому одни (быстропротекающие) про­ цессы заканчиваются, а другие (более медленные) продолжаются. Состояние трикотажных полотен, при котором медленные релакса­ ционные процессы деформации практически незаметны, выше было определено как метастабильное, или относительно устойчивое (не­ полное равновесие). Чем длительнее образец удерживается в рас­ тянутом состоянии, тем в большей мере успевают пройти процессы, характеризующиеся большим временем релаксации, и тем длитель­ нее обратные релаксационные процессы деформации (рис. Ш-2).

Например, при действии нагрузки в течение 1 мин процесс релаксации деформации образца трикотажа практически полностью завершается за 3 ч отдыха (крирая 6) с почти полным восстановле­ нием исходных до растяжения конформаций элементарных звеньев. При действии тех же по величине нагрузок в течение 15—24 ч об-

Рис. Ш-2. График изменения во времени деформа­ ции полотна переплетения гладь при отдыхе после снятия нагрузки в зависимости от длительности воз­

і, мин

Рис. Ш-З. График кинетики обратной релаксации деформации трикотажа при малой нагрузке (Р = 10 Н/м) в зависимости от длительности воздействий внешних усилий, с:

1 — 6-10; 2 — 3-102; 3 — 6 -ІО2; 4 — 1,2-Ю3; 5 — 1,8*ІО3

ратные релаксационные процессы деформации не завершаются и за 10—45 суток отдыха в нормальных условиях (кривые 1—3).

Увеличение времени действия нагрузки на образец трикотажа приводит к уменьшению доли быстропротекающих процессов в об­

них усилий с 1 до 30 мин. При определенных условиях для неко­ торых видов трикотажа сдвиг процессов в сторону замедленных

доли медленнообратимой деформации и уменьшению доли быстрообратимой. Например, доля деформации хлопчатобумажной глади (по ширине) с периодами релаксации более 6 ч при нагрузке, со­ ставляющей 50% от разрывной, почти в 2,5 раза больше, чем при нагрузке, составляющей 2,5% от разрывной. При тех же нагрузках доля деформации с периодами релаксации до 5 с уменьшается почти в 3 раза (рис. III-4).

Статическая нагрузка оказывает тормозящий эффект на обрат­ ный процесс релаксации деформации. Структура большинства ви­ дов трикотажных полотен такова, что внешние связи легко сме­ щаются при малых усилиях, особенно при растяжении по ширине. Поэтому статические нагрузки величиной даже Ящт = 0,15—0,20Н (рис. II1-5, кривые 4, 5) вызывают заметное замедление течения релаксационных процессов деформации по сравнению с образцами без статической нагрузки (горизонтально расположенных) или со статической нагрузкой, равной гравитационным силам (соответст­ венно кривые 1, 2).

3. МЕХАНИЗМ НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ОБРАТНОГО ПРОЦЕССА

РЕЛАКСАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ

Выяснение механизма начальной стадии обратных релаксацион­ ных процессов важно не только с теоретической, но и с практиче­ ской стороны для прогнозирования упругости трикотажа и проек­ тирования аппаратуры для испытаний.

Чтобы исключить влияние сил трения в приборах на скорость течения обратных процессов деформации в начальной стадии, ис­ пытания были проведены на релаксометре типа стойки (см. рис. IV-16). Верхний конец образца заправлялся в зажим релаксо­ метра, нижний зажимался между двумя пластинами общей массой около 10 г, к которым подвешивался груз. После заданной дли­ тельности растяжения нить, связывающая груз с образцом, пере­ резалась и образец получал возможность сокращаться в обратном направлении.

Для бесконтактной фиксации деформации был использован ме­ тод скоростной киносъемки.* На пробном образце вышивались метки, положение которых, хорошо заметное на фоне мерной бу­ маги, фиксировалось при киносъемке. Последующая покадровая расшифровка дала возможность воспроизвести изменения дефор­ мации образца трикотажа при разгрузке.

Анализ результатов исследований показал, что после раз­ грузки образец испытывает упругие колебания в течение 0,06—0,4 с. С ростом внешних усилий время упругих колебаний образца уве­ личивается до нагрузки Р = 2Н, составляющей около 1,5% от раз­ рывной (рис. ІІІ-6), при больших нагрузках период упругих коле­ баний образца сохраняется на уровне ^ = 0,2—0,4 с. Периоды упру­

Было проведено искусственное гашение инерционных колебаний образца при разгрузке, но оно привело лишь к некоторой задержке

ции деформации было таким же, как и в случае испытаний при сво­

бодном упругом колебании образца.

Известно [46], что скорость упругой деформации в нити равна скорости распространения звука в этой нити. Сопоставляя это время с периодом упругих колебаний образца трикотажа после снятия внешних усилий, находим, что период упругих колебаний пробной полоски на два порядка выше времени распространения

упругой деформации в нити.

Для уточнения механизма деформации трикотажа в начальный период обратных релаксационных процессов были проведены из­

процессы деформации не успе­ вают значительно развиться и в спектре времен релаксации дефор­

мации преобладают процессы с малыми периодами релаксации. Величина обратимой деформации в случае только упругого ме­

ханизма должна увеличиваться пропорционально приложенным напряжениям и не должна зависеть от времени их действия. В дей­ ствительности же с ростом внешних усилий исчезающая деформа­ ция увеличивается, но не линейно, а с отставанием от прироста пол­ ной деформации (рис. Ш-7, кривая /). В результате доля быстро­ обратимой (за 4 = 0,3 с) деформации уменьшается (кривая 2).

Увеличение длительности действия нагрузки приводит к умень­ шению не только доли, но и абсолютной величины быстрообратимой деформации трикотажа, особенно заметной при />24 ч (рис. Ш-8, соответственно кривые 2 и /).

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что в на­ чальной стадии обратного релаксационного процесса деформации трикотажа за время 4 = 0,1—0,3 с от начала разгрузки (время зату­ хания инерционных упругих колебаний образца) наблюдается не только упругий, но и эластический механизм деформации.

Сравнение величин (долей) относительных быстрообратимых деформаций трикотажа, полученных при разных напряжениях об­ разца и длительности действия нагрузок, показывает значительную их разницу. В исследуемых граничных условиях (см. рис. II1-8)