Оптимизация процесса кручения огнетермостойких нитей на основе волокна арселон-С

Обзор рынка огнетермостойких тканей для боевой одежды пожарных-спасателей (БОПС) показал, что в большинстве случаев для их получения применяется пряжа из штапельных волокон номекс, арселон-С, русар и др. [1, 2]. Предпочтение пряже, а не комплексным нитям, отдается в связи с тем, что ткани из пряжи обладают мягкостью, меньшей сминаемостью, хорошо сохраняют тепло . Кроме того, затраты на производство штапельного волокна примерно в 2 раза ниже затрат на выработку того же количества комплексных нитей. Даже с учетом затрат в прядильном производстве пряжа оказывается значительно дешевле комплексных нитей [3].

Вместе с тем известно, что одним из главных требований является стабильность и сохранение формы БОПС в процессе эксплуатационных воздействий [4]. Формоустойчивость — сложная комплексная характеристика, одним из критериев которой является жесткость применяемых материалов. Повышают жесткость и тем самым формоустойчивость тканей обычно путем применения при их выработке комбинированных нитей, состоящих из пряжи и более жестких комплексных нитей (например, комбинированная нить из пряжи арселон-С и комплексной нити русар [5]). Комплексные нити арселон-С в производстве огнетермостойких тканей ранее не применялись и в связи с этим технологические характеристики их получения исследованы не в полной мере.

Учитывая вышеизложенное, цель работы заключалась в оптимизации процесса кручения комплексных нитей арселон-С, рекомендованных для применения в производстве огнетермостойких тканей для БОПС.

Объектами исследования являлись крученые нити арселон-С, состоящие из двух комплексных нитей, линейной плотности 29,4 текс х 2. Наработка нитей и оптимизация процесса их кручения осуществлялась на РУП «Светлогорское производственное объединение «Химволокно». Исследования проведены с использованием математических методов планирования эксперимента [6]. Применен двухфакторный ортогональный центрально-композиционный план, где в качестве факторов были приняты: X 1 — крутка комплексной нити, кр/м ; X 2 — крутка крученой нити, состоящей из двух комплексных нитей, кр/м.

Уровни и интервалы варьирования факторов X 1 и X 2 были установлены на основании анализа литературных источников, а также технических возможностей крутильного оборудования (тростильно-крутильной машины ТКД) (таблица 1).

Таблица 1 – Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы		Уровни варьирования			Интервалы варьирования
		-1	0	+1
Крутка комплексной нити, кр/м	Х 1	160	210	260	50
Крутка крученой нити, состоящей из двух комплексных нитей, кр/м	Х 2	100	140	180	40

В качестве критериев оптимизации были приняты основные механические и огнезащитные показатели крученых нитей, а также неравномерность показателей разрывных характеристик, которая оценивается коэффициентами вариации по относительной разрывной нагрузке и удлинению при разрыве. Совокупность этих показателей определяет качество огнетермостойких нитей и обеспечивает выпуск тканей необходимого уровня:

Y 1 — относительная разрывная нагрузка нити, Р о , сН/текс;

Y 2 — коэффициент вариации по относительной разрывной нагрузке, C(Р о ), %;

Y 3 — удлинение при разрыве, P , %;

Y 4 — коэффициент вариации по удлинению при разрыве, С( P ), %;

Y 5 — термостойкость, Т, %.

Исследуемые показатели определялись в соответствии со стандартными методиками [7, 8]. Термостойкость нитей определяли отношением разрывной нагрузки нитей после прогрева в течение 25 ч при температуре 350 ºС к их исходной разрывной нагрузке.

План и результаты эксперимента представлены в таблице 2. Обработка результатов эксперимента проводилась на ЭВМ с использованием прикладных программ.

Получены математические зависимости, с использованием которых можно прогнозировать значение показателей свойств Y 1 - Y 5 крученых нитей арселон-С при различных величинах крутки Х 1 и Х 2 :

Y1 = 30,17 + 0,92X1 + 0,66X2 – 1,15X12, R2 = 0,97;(1)

Y2 = 0,75 – 0,55X1 – 0,59X2 + 1,01X12 + 0,62X22, R2= 0,98;(2)

Y3 = 8,57 – 0,67X1 + 1,05X2 + 2,87X12, R2 = 0,96;(3)

Y4 = 6,00 + 2,08X1 – 3,40X2 – 3,98X1X2 + 7,51X12 + 5,90X22,  R2 = 0,99;(4)

Y5 = 61,97 + 7,05X1 + 7,70X2 – 3,57X1X2 – 6,53X12 + 4,65X22, R2 = 0,99.(5)

На основе уравнений (1)-(5) получены двухмерные сечения поверхностей отклика критериев оптимизации, совмещением которых определена область оптимальных значений крутки крученой нити арселон-С линейной плотности 29,4 текс х 2, ограниченная линиями уровней значений показателей (рисунок 1): Х 1 (крутка комплексной нити) — 198-240 кр/м; Х 2 (крутка крученой нити, состоящей из двух комплексных нитей) —166-180 кр/м.

При выборе ограничений исходили из того, что согласно ТУ 00204056.056-1997 [8] Т нити арселон-С линейной плотности 29,4 текс должна быть не менее 25%, P o – не менее 27,0 сН/текс, P — не менее 3,0%. Для получения крученой нити арселон-С линейной плотности 29,4 текс х 2 наиболее высокого качества значения указанных показателей ужесточены (T — не менее 70,07%; P o – не менее 30,50 сН/текс, P — не менее 9,10%) и дополнительно введены следующие показатели: C(P o ) — не более 0,97%; С( P ) — не более 8,85%.

Таблица 2 — План и результаты эксперимента по исследованию влияния крутки на свойства нитей арселон-С линейной плотности 29,4 текс х 2

№ опыта	Матрица планирования опытов		Рабочая матрица		Выходные параметры
	Х 1	Х 2	Х 1	Х 2	Y 1 относительная разрывная нагрузка нити, Р о, , сН/текс	Y 2 коэффициент вариации по относительной разрывной нагрузке, C (Р о ), %	Y 3 удлинение при разрыве, P , %	Y 4 коэффициент вариации по удлинению при разрыве, С ( P ), %	Y 5 термостойкость, Т, %
1	-1	-1	160	100	27,84	3,68	10,8	17,79	41,11
2	+1	-1	260	100	28,95	2,63	9,2	29,92	61,67
3	-1	+1	160	180	28,33	2,43	12,5	17,58	65,39
4	+1	+1	260	180	30,72	1,06	13,0	13,78	71,68
5	-1	0	160	140	28,13	2,11	13,2	10,75	47,96
6	+1	0	260	140	30,16	1,2	10,6	14,88	63,43
7	0	-1	210	100	29,23	1,65	7,9	13,22	60,93
8	0	+1	210	180	30,92	0,88	8,9	9,18	72,83
9	0	0	210	140	30,36	0,98	8,8	7,41	61,45

Рисунок 1 — Совмещение двухмерных сечений поверхностей отклика критериев оптимизации для выбора оптимальных условий процесса кручения нитей асрелон-С

На рис. 1 видно, что при указанных значениях круток P o составит не менее 30,5 сН/текс, C(P o ) — не более 0,97%, P — не менее 9,1%, C( P ) — не более 8,9%, T — не менее 70,1%.

При указанных оптимальных значениях входных факторов произведена экспериментальная наработка нити арселон-С линейной плотности 29,4 текс х 2 (таблица 3). Физико-механические свойства полученных нитей: P o – 30,53 сН/текс, C(P o ) – 0,88%, P – 12,4%, C( P ) – 8,8%, T – 73,8%.

Отклонение фактических и расчетных значений не превышает 5%, что свидетельствует о достоверности полученных математических моделей и возможности применения их на практике. Значения показателей свойств нитей соответствуют предъявляемым требованиям, а процесс кручения не вызывает затруднений.

Таблица 3 — Расчетные и фактические значения свойств выработанной нити арселон-С

Наименование показателя	Значение
	расчетное	фактическое
Крутка комплексной нити, кр/м	210	212
Крутка крученой нити, состоящей из двух комплексных нитей, кр/м	180	178
Относительная разрывная нагрузка нитей, P o , сН/текс	30,83	30,53
Коэффициент вариации по относительной разрывной нагрузке нитей, C(P o ), %	0,78	0,88
Удлинение при разрыве, P , %	11,82	12,4
Коэффициент вариации по удлинению при разрыве, C( P ), %	8,5	8,8
Термостойкость, T, %	74,32	73,8

Полученные при рекомендованных значениях крутки нити 29,4 текс х 2 в сочетании с пряжей линейной плотности 29 текс х 2 на основе волокна арселон-С использовались в экспериментальной наработке огнетермостойких тканей трех видов переплетений, а для сравнения нарабатывались ткани из этих же волокон с применением пряжи по основе и по утку (таблица 4).

Таблица 4 – Жесткость экспериментальных огнетермостойких тканей

Вид переплетения	Плотность ткани		Структура нитей		Жесткость, сН·см 2
	по основе	по утку	по основе	по утку	по основе	по утку
Саржа 2/2	280	189	Пр	Пр	172,2	153,3
			Пр	Н	249,1	462,5
Креповое	280	184	Пр	Пр	215,2	200,7
			Пр	Н	228,8	758,9
Неправильный атлас	280	184	Пр	Пр	343,0	108,8
			Пр	Н	357,8	555,8

Примечание. В таблице приняты следующие сокращения: Пр – пряжа линейной плотности 29 текс х 2 на основе волокна арселон-С, Н – нить линейной плотности 29,4 текс х 2 на основе волокна арселон-С.

Из НПБ 161-97 [9] известно, что жесткость при изгибе материалов, применяемых для производства специальной защитной одежды, должна быть не более 830 сН·см ² .

Как видно из таблицы 4, жесткость экспериментальных тканей составляет 172,2357.8 сН·см ² по основе и 108,8-555,8 сН·см ² по утку, что соответствует предъявляемым требованиям к материалам данного типа. Применение крученых нитей, полученных при рекомендованных режимах, позволило получить ткани с более высокой жесткостью по сравнению с тканями, выработанными по обеим системам из пряжи. Это объясняется большей жесткостью экспериментальных крученых нитей по сравнению с жесткостью пряжи, что позволит повысить формоустойчивость изделий из них.

ВЫВОДЫ

Выявлены зависимости между значениями показателей свойств крученых нитей арселон-С, состоящих из двух комплексных нитей, линейной плотностью 29,4 текс 2 и величинами их первичной и вторичной круток, позволяющие определять значения показателей свойств нитей при различных величинах крутки.

Установлено, что лучшим комплексом потребительских свойств обладают нити, полученные при следующих величинах крутки: комплексной нити — 198-240 кр/м; крученой нити, состоящей из двух комплексных нитей, — 166-180 кр/м.

Огнетермостойкие ткани, выработанные с применением крученых нитей, соответствуют предъявляемым требованиям и имеют большую жесткость, чем ткани, выработанные по обеим системам из пряжи, что позволит повысить формоустойчивость БОПС.