Кукин Г.Н. и др. Текстильное материаловедение. Текстильные полотна и изделия

Подождите немного. Документ загружается.

Р,Н

/\лМмЛАА

I, мм

Рис.

IV. 11.

Раздира-

ние проб ткани:

а — характер растяже-

ния; б — диаграмма

растяжения (по А. А.

Мартыновой)

заправляют в одни тиски, а оставшиеся две полоски — в другие

(рис.

IV.

10,б). В этом случае получают удвоенное усилие.

Метод гвоздя чаще используют для полотен с неориентиро-

ванным расположением нитей, например для трикотажных и не-

тканых полотен. Гвоздь представляет собой заостренный стер-

жень с диаметром, составляющим несколько миллиметров. На

него накалывают середину пробы (рис.

IV. 10,

в). Верхний зажим

представляет собой тиски, а нижний зажим состоит из двух

пластин с отверстиями для гвоздя.

Крыловидный метод (рис. IV.I0,г) похож на первый метод,

однако помимо надреза посередине пробы верхние половины

срезают под углом и заправляют в тиски параллельно срезам.

Усилие раздирания сосредоточивается на продольной крайней

нити. При трапециевидном методе полоску заправляют в тиски

под углом (рис. IV.10,<5). При растяжёнии рвутся нити продоль-

ной системы последовательно с короткой части полоски до длин-

ной ее стороны. Разрушение нитей происходит последовательно.

Разрыв нитей может быть одиночным и групповым. Рекоменду-

ется [13] заменять зажимы разрывной машины на наклонные

относительно горизонтали, чтобы не подбирать угол заправки

и более широко использовать этот метод для контроля прочности

нитей по всей ширине пробы для всех тканей.

Оценка прочности ткани на раздирание в различных стан-

дартах и работах производится по-разному. Так, по отечествен-

ному стандарту за прочность ткани на раздирание принимают

максимальную нагрузку, которая фиксируется силоизмерителем

(рис. IV. 11). По шведским, французским, американским стан-

дартам определяют среднюю из пяти максимальных пиков на

диаграммах и др.

Кроме абсолютных применяют относительные показатели

прочности на раздирание: отношение прочности ткани на разди-

рание к разрывной нагрузке одиночной нити (нормализованная

сила раздирания или относительная прочность на раздирание);

отношение прочности на раздирание к поверхностной плотности

(удельная прочность к раздиранию); отношение суммы прочно-

стей на раздирание ткани по основе и по утку к поверхностной

плотности (коэффициент раздирания).

Двухосное растяжение

Двухосное растяжение текстильных полотен—это одновремен-

ное деформирование в двух перпендикулярных друг к другу на-

правлениях, которое может осуществляться в плоскости элемен-

тарной пробы и перпендикулярно ее поверхности.

Двухосное растяжение в плоскости пробы связано с одновре-

менным деформированием элементов в двух взаимно перпенди-

кулярных направлениях, совпадающих с направлением нитей ос-

новы и утка в ткани, с направлением петельных столбиков и пе-

тельных рядов в трикотаже, под некоторыми углами к нитям

основы и утка или к петельным столбикам и петельным рядам.

При двухосном растяжении в плоскости пробы применяют

разные методы испытаний по характеру приложения к пробе

растягивающих усилий. На рис.

IV. 12,

а показана схема за-

правки пробы квадратной формы. Зажимы 1—1 и 2—2 распо-

лагаются перпендикулярно друг к другу. При этом методе (по

аналогии с грэб-методом, рис.

IV. 12,6,

в) тиски при растяжении

захватывают только часть пробы. Элементы структуры пробы

испытывают растягивающие усилия взаимно перпендикулярно

по центральным осям зажимов. На крайних участках (в зажи-

мах) происходит сложное силовое воздействие на нити в резуль-

тате взаимного воздействия на них растягивающих усилий,

а также реакции на эти воздействия элементов структуры, непо-

средственно не подвергающихся растяжению, а испытывающих

лишь косвенное воздействие от силового поля по направлению

зажимов. Конечный результат разрывной нагрузки в одном и

Рис.

IV. 12.

Схема проб

при разных методах

испытания на двуосное

растяжение:

—

крестовый стрип (при

одинаковой или разной

скорости растяжения); б,

в — грэб-метод; г — при

растяжении только в од-

ном направлении; д — с не-

сколькими захватами со

всех сторон пробы; е — при

растяжении срезанной ша-

ровой поверхностью (пока-

зано пунктиром); ж — при

растяжении гибкой мем-

браной; з — при продавли-

вает шаровой поверхно-

стью

«3

другом направлении и деформация будут зависеть также от ско-

рости перемещения зажимов в разных направлениях.

При крестовой пробе двухосное растяжение обеспечивается

полностью только в центральной зоне, а около зажимов про-

исходит лишь одноосное растяжение. На рис. IV.12, в показана

заправка [14], обеспечивающая наиболее полное двухосное ра-

стяжение в плоскости пробы. При испытании крестовых проб

(рис. IV.I2,в—<3), как установлено И. А. Монаховым, показа-

тели разрывной нагрузки оказываются меньше суммарных по-

казателей разрывной нагрузки по основе и утку при одноосном

растяжении, но больше, чем при одноосном растяжении по ос-

нове и по утку. Разрывное удлинение оказывается меньше, чем

при одноосном растяжении.

При перпендикулярном к первоначальной поверхности пробы

воздействии типа пуансона мембраны, шаровой поверхности

в элементарных звеньях структуры как реакции на давление,

возникает также двухосное растяжение исследуемого полотна

(рис.

IV. 12,

е — з). Расстояние между нитями основы и утка

или другими элементарными звеньями изменяется вследствие их

деформации. При этом деформирование в зоне зажимов отлича-

ется от деформирования в центральной зоне, так же как отли-

чается деформация проб на участках, близких к зажимам и цен-

тральной части, при ^дноосном растяжении.

Двухосное равномерное растяжение в зоне пуансона обеспе-

чивается методом, разработанным А. Ю. Зыбиным, когда на

пробу, зажатую в кольцевой зажим, действуют усилия толка-

теля (пуансона) цилиндрической формы и усеченного шара (см.

рис.

IV. 12,

е). Мембранный метод также обеспечивает двухосное

растяжение пробы. При давлении воздуха и воды на мембрану

(см. рис. IV.12,ac) происходит двухосное деформирование иссле-

дуемых полотен. В отличие от воздействия на пробу пуансона,

когда растяжение происходит с постоянной скоростью деформи-

рования, при мембранном методе скорость давления постоянна.

При этом деформация в центральной зоне и у зажимов будет

отличаться и будет неравномерной по всей пробе.

Растяжение шариком, осуществляемое при постоянной ско-

рости давления на пробу (см. рис. IV.12, з), также дает нерав-

номерное двухосное растяжение, более высокое деформирование

в центральной зоне и значительно меньшее в зоне зажимов.

Этот метод обеспечивает оценку прочности полотен при двух-

осном растяжении.

Имеется ли связь между показателями при двухосном и од-

ноосном растяжении? Пока однозначного ответа нет. Проведен-

ное А. И. Кобляковым исследование взаимосвязи между пока-

зателями при одноосном и двухосном (продавливание шари-

ком) растяжении трикотажа показало низкую корреляционную

связь, особенно по разрывному удлинению. Более высокий ко-

эффициент корреляции (г = 0,72) получался между разрывной

нагрузкой при продавливании и суммарными разрывными на-

грузками по длине и ширине. Несколько выше корреляционная

связь (г = 0,75) между суммарными показателями разрывной

нагрузки по длине и ширине для полосок профильной

формы.

В. Вегенером исследовалась ранговая связь между разрыв-

ной нагрузкой и разрывным удлинением при двухосном растя-

жении (сферой, мембраной, тарелкой) и аналогичными показа-

телями при одноосном растяжении (стрип- и грэб-методами)

тканей. Была получена высокая ранговая корреляция между

разрывной нагрузкой при двухосном растяжении и усреднен-

ными (или суммарными) нагрузками при одноосном растяже-

нии. Между показателями деформации в целом ранговая корре-

ляционная связь низкая. Несколько выше она между этими по-

казателями при двухосном растяжении и минимальна при

одноосном растяжении.

2. ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМАЦИИ

Релаксационные процессы напряжения и деформации

При растяжении текстильных полотен не до разрушения в них,

подобно тому как это происходит в нитях и волокнах, возникают

релаксационные процессы. Релаксационные процессы — это про-

цессы самопроизвольного уменьшения внутреннего напряжения

с течением времени при неизменной деформации, а также про-

цессы самопроизвольного возвращения макроскопической си-

стемы в термодинамически устойчивое состояние. Особенность

текстильных полотен заключается в наличии различных форм

не только молекулярной, но и межволоконной и межнитевой под-

вижности, связанной с тепловым движением структурных эле-

ментов на разном уровне

—

от межнитевого, межволоконного до

электронов и ядер атомов.

При растяжении, как и при других видах деформации, на-

ступает равновесное состояние. Известно два подхода к равно-

весному состоянию — механический и термодинамический. Со-

гласно механическому подходу равновесное состояние обуслов-

ливается равновесием сил упругости и трения, или равенством

сил нормальных реакций нити, сил трения в местах контакта,

изгибающих и крутящих моментов сил реакции.

Однако релаксационные процессы — это спектр процессов,

что при механическом подходе не учитывается. Согласно термо-

динамическому подходу [1] равновесное состояние при растяже-

нии представляет собой состояние, к которому при данных внеш-

них условиях стремится термодинамическая система (текстиль-

ные полотна). Известны состояния устойчивого (стабильного),

неустойчивого (лабильного) и относительно устойчивого (мета-

стабильного) равновесия.

Для текстильных полотен характерно метастабильное состоя-

ние, при котором система может находиться в равновесии в те-

чение длительного времени. При этом относительно малые по

величине внешние воздействия, вызывающие небольшие откло-

нения от исходного состояния, не приводят в другое состояние и

после снятия воздействий. Система возвращается в исходное со-

стояние. Только в результате достаточно сильных воздействий

система выводится из метастабильного состояния и переходит

в новое состояние равновесия.

Состояние текстильных полотен может быть изменено в ре-

зультате изменения внутренней энергии и энтропии при дефор-

мировании. Согласно первому закону термодинамики изменение

внутренней энергии системы

d £/ =

—d /4, (IV.28)

где U — функция состояния системы; dQ — бесконечно малые приращения

теплоты, подведенной к системе; dА

—-

приращение работы, совершенной над

системой.

Внутренняя энергия согласно второму закону термодинамики

состоит из свободной и связанной. Связанная энергия — это теп-

ловая энергия, которая затрачивается на изменение расположе-

ния микроэлементов структуры в системе. Параметром, харак-

теризующим степень упорядоченности микроэлементов, в си-

стеме или степень устойчивости данного состояния, является

энтропия.

Тогда для равновесного процесса

dQ = 7dS,

где Т — абсолютная температура; dS — изменение энтропии.

Свободная энергия (энергия упругости) составляет часть по-

тенциальной энергии и зависит не только от внутренней энер-

гии, но и от температуры и степени упорядоченности микроэле-

ментов (энтропии) в системе, т. е.

dF^dU-TdS.

Работа, произведенная системой при ее деформации,

dA^fdl,

где / — внешняя сила; dI — деформация.

Таким образом, для равновесного состояния системы (по-

лотно) в случае изотермических процессов необходимо, чтобы

dU — —Т dS—fdl

— О,

но dU—TdS = dF

Тогда dF=fdl или fdl=dU—TdS = dF.

Отсюда

d F

d U

dS I

d /

|г

или в общем виде

•

Из этого следует, что сопротивление материала, в том числе

текстильных полотен, растягивающим усилиям сопровождается

изменением как запаса внутренней энергии, так и величины

энтропии. Таким образом, при растяжении текстильных поло-

тен, как и других текстильных материалов, наблюдаются два

механизма упругости: один связан с изменением только внут-

ренней энергии при растяжении материала (упругий), другой —

только с изменением энтропии.

При растяжении энтропия уменьшается, так как увеличива-

ется упорядоченность структурных элементов. Необходимо также

иметь в виду, что внутренняя энергия для некоторых материалов

может быть близкой к нулю, тогда изменение (удлинение) ма-

териала зависит только от энтропии.

Самопроизвольные процессы в системе направлены, таким

образом, в сторону равновесного состояния к наивероятнейшему

распределению конформаций структурных элементов. В состоя-

нии равновесия энтропия имеет максимальное значение, и со-

гласно второму закону термодинамики

d S = 0; d

S<0.

Молекулярная теория релаксационных процессов примени-

тельно к волокнам и нитям изложена в литературе [11]. Поэтому

здесь освещаются только основные положения теории примени-

тельно к текстильным полотнам. Согласно этой теории упругая

деформация связана с изменением межатомного расстояния и

расстояния между звеньями макромолекул и частиц полимеров.

Такая деформация свойственна полимерным веществам кристал-

лического и аморфно-кристаллического строения. После снятия

напряжения деформация исчезает.

Эластическая деформация — следствие изменения конфор-

маций макромолекул и других частиц, их перегруппировки. Эти

явления происходят во времени до достижения равновесного со-

стояния и проходят как релаксационный процесс.

Релаксационный процесс в текстильных полотнах, как и

в других текстильных материалах, многоступенчатый, так как

физические параметры системы (распределение частиц по ко-

ординатам, импульсы температуры, давление и др.) неодина-

ково (с разной скоростью) стремятся к равновесию. Отсюда рав-

новесие, достигнутое по какому-либо параметру, частично и си-

стема (полотно) будут находиться в статическом (метастабиль-

ном) состоянии равновесия. Этот процесс зависит не только от

молекулярного, надмолекулярного строения вещества волокон

и нитей, их структуры, структуры текстильных полотен. Напри-

мер, чем больше извитость волокон в пряже, элементарных и

текстурированных нитях, чем больше изогнутость нитей в ткани,

трикотаже и других полотнах, тем больше проявление эласти-

ческой деформации.

Таким образом, при растяжении текстильных полотен возни-

кает множество (спектр) релаксационных процессов, вследствие

чего устанавливается равновесное состояние, являющееся вре-

менным по какому-либо одному или группе параметров.

Повышением температуры, влажности, изменением среды,

при которых существенно ослабляется межмолекулярное взаи-

модействие, ускоряются релаксационные, процессы. Они суще-

ственно ускоряются при .нагреве или .воздействии водной среды,

растворов щелочи, кислот, так как это дополнительное воздей-

ствие ослабляет межмолекулярные связи. Например, в резуль-

тате такого дополнительного воздействия эластическая дефор-

мация может полностью исчезнуть.

Необходимо иметь в виду, что пластическая деформация тек-

стильных полотен не связана с релаксационным процессом и ее

не следует смешивать с эластической вынужденной деформа-

цией— частью всей эластической деформации, но с большим пе-

риодом релаксации.

Учитывая эти особенности деформации, в практике исполь-

зуют термин остаточной деформации полотен вместо термина

пластической деформации при экспериментальном определении

компонентов деформации.

Ползучесть и релаксация деформации

Ползучесть — процесс изменения деформации при действии по-

стоянной нагрузки (напряжения) на пробу текстильных полотен.

В некоторых учебниках и других работах вместо ползучести при

растяжении нитей текстильных полотен под постоянной нагруз-

кой рассматривают релаксационный процесс деформации.

В конце 70-х годов термин «ползучесть» вошел и в материалове-

дение текстильных материалов.

Кривая ползучести (рис. IV. 13) представляет собой измене-

ние деформации под действием постоянной нагрузки (напряже-

ния) во времени s(t). В кривой условно выделяют следующие

участки: OA — деформация в момент приложения нагрузки,

АВ— неустановившаяся (затухающая) ползучесть, ВС

—

уста-

новившаяся ползучесть (с постоянной скоростью), CD

—

уско-

ренная ползучесть, а точка D — момент разрушения. Многочис-

ленные испытания тканей, трикотажа и других полотен при на-

грузках, составляющих до 20 % разрывной, дали кривые ползу-

чести, ограниченные участком ВС, хотя процесс ползучести был

весьма длительным.

На рис. IV.

показаны кривые ползучести и релаксации де-

формации трикотажных полотен при длительной нагрузке (более

10 сут) и последующей релаксации (до 14 сут). Несмотря на

длительный срок воздействия нагрузки (до 14 сут) при напря-

жении о^0,1с

кривые остаются в зоне установившейся ползу-

чести.

Среда влияет на ползучесть тканей и других полотен. Вод-

ная среда при нормальной температуре или подогретая приво-

дит «к некоторому повышению ползучести по сравнению с нор-

мальной средой.

Особенно заметно влияние среды, способствующей набуха-

нию, ослаблению межмолекулярных связей. Так, по данным

А. И. Коблякова [15], ползучесть шерстяной ткани при нагрузке,

составляющей 25 % разрывной, в горячей воде развивается очень

сильно, вызывая разрушение ткани. Даже при нагрузке, состав-

10° 10

10' 10

}

tgt.C

Рис. IV.

14.

Кривые ползучести и релаксации деформации трикотажных по-

лотен (по ширине):

/ — хлопчатобумажное, переплетение ластик (ст=0,02ст

); 2 — то же, переплетейне

гладь; 3

—

вискозное, переплетение двуластик; 4 — то же, переплетение цепочка-сукно

(a=>0,ia

)

ляющей 10 % разрывной, ползучесть через 1 ч действия постоян-

ной нагрузки в 3 раза превышает ползучесть в нормальной воз-

душной среде.

Релаксация деформации текстильных полотен помимо их

структуры зависит от величины и длительности воздействия по-

стоянной нагрузки (напряжения), среды, в которой происходят

растяжение и отдых при релаксации.

Характер релаксационных процессов в текстильных полотнах

оценивают по составным частям деформации и их доле в пол-

ной деформации (ползучести):

е (/)

—

° 100. (IV.30)

Составные части деформации (ползучести), %:

быстрообратимая

Bgo

—

100; (IV.31)

медленнообратимая

Емо—

* 100; (1V.32)

остаточная

6ост

100, (IV.33)

где Lo — начальная длина пробы; L

— длина пробы после растяжения;

Li — длина пробы сразу после снятия нагрузки; L»— длина пробы после

длительного отдыха.

Доли составных частей деформации:

быстрообратимой

Двво«ево/в(0; (IV.34)

медленнообратимой

Ае

м0

—

е„

/е (/); (IV.35)

остаточной

Ае

ст = еост/е (/). (IV.36)

Для оценки релаксации напряжения определяют падение на-

пряжения при релаксации:

г(<)=Оо/^.- (IV.37)

где

ого

— напряжение к началу релаксации; о» — напряжение при релакса-

ции за время t.

Табл. IV.4. Влияние относительной нагрузки на ползучесть

и составные части деформации при ее релаксации [16]

Ткань

Направление

ткани

а =

Р/Рр

Ползучесть

(полная

деформация)

в, %

Доля состаной части

деформации

Ткань

Направление

ткани

а =

Р/Рр

Ползучесть

(полная

деформация)

в, %

быстро-

обрати-

мой

Де

бо

медленно-

обрати-

мой

А8

ма

остаточ-

ной

Ае

ост

Бязь

По основе

0,1

5±0,2 0,32

0,16

0,52

0,25

7±0,5 0,24

0,14 0,62

» »

0,5

9,2±0,2

0,21

0,68

утку

0,1

16,5±0,5 0,2 0,15

0,65

утку

0,25 19±0,6 0,14 0,12

0,74

0,5 22,4±5

0,11 0,07

0,82

Полотно из По основе 0,1 12±0,5 0,17

0,22

0,61

вискозного

0,25

15,5±0,6 0,11

0,18

0,71

штапель-

0,5 20± 0,8 0,09

0,13

0,78

ного

волокна

утку

0,1 8±0,6 0,2.

0,19

0,61

0,25

11.5±0,7

0,15

0,7

0,5

17±0,7 0,12

0,13 0,75

Шерстяное По

основе

0,1

9,7±0,2

0,68

0,22

0,1

полотно

0,25

14± 0,2 0,49

0,28

0,23

0,5

22±0,6

0,31

0,3

0,39

» утку

0,1

4,5±0,2

0,67

0,22

0,11

утку

0,25

6,2±0,4

0,52

0,24

0,5

11,1±0,6

0,33

0,27

0,4

Капроновое По основе 0,1

6,8±0,1 0,71

0,22 0,07

блузочное

0,25

10±0,2

0,7 0,2

0,1

полотно

0,5

15±0,6

0,69

0,18

0,13

утку

0,1

9±0,3

. 0,68

0,21 0,11

» »

0,25

13±0,3

0,66

0,19

0,15

0,5

18±0,3 0,64 0,16

0,2

/ Примечание, а — доля нагрузки от разрывной на элементарную пробу.

В табл. IV.4 приведены данные о ползучести и изменении до-

лей составных частей деформации в зависимости от величины

нагрузки в долях от разрывной. Эти данные подтверждают, что

с увеличением ползучести (полной деформации) составные ча-

сти деформации в долях от полной деформации изменяются по-

разному: доля быстрообратимой деформации уменьшается, доля

остаточной увеличивается, а соотношение долей медленнообра-

тимой и быстрообратимой деформаций различно. В большин-

стве случаев доля медленнообратимой деформации, как и бы-

строобратимой, уменьшается, так как спектр релаксационных

процессов деформации с увеличением напряжения перемеща-

ется в сторону замедленных, заторможенных процессов.

Данные, приведенные в табл. IV.5, показывают, как изменя-

ются доли составных частей деформации растяжения тканей

в зависимости от времени действия статической нагрузки.