Особенности деформирования и разрушения полипропиленовых комплексных нитей различного способа получения

POLYPROPYLENE THREADS, STRENGTH CHARACTERISTICS, COEFFICIENTS OF REALIZATION OF STRENGTH OF THE THREAD, METHOD OF STATIC IMITATION OF SEMICYCLIC TEST FOR THE STRETCHING

Results of research of mechanical properties polypropylene threads of a various way of reception are presented. Dependence strength characteristics polypropylene threads from a way of their manufacture is installed. The new methodological approach for definition of coefficients of realization of strength of polypropylene threads of a various way of reception is offered. The Comparative analysis of values of coefficients of realization of strength received on two absolutely various methodological approaches is carried out.

Heat-set, Frize. BCF – нить, которая состоит из волокон, полученных из экструдера. Ей придают дополнительный объем и специально вытягивают при последующей перемотке на бобину. Heat-Set – самый распространённый вид нити для изготовления синтетических ковров нового поколения. Для получения нити Heat-Set нить BCF подвергают термической обработке, вытягивают и скручивают вокруг своей оси (чем больше крутка, тем лучше качество). Нить HeatSet обладает лучшими антистатическими свойствами и более долгосрочна в эксплуатации, чем нить BCF. Frize – данный вид ППН получают из нитей Heat-Set, которые скручивают в два сло- жения в направлении S и Z, обрабатывают при очень высокой температуре и влажности. Две скрученные нити и механическо-термическая обработка делают структуру пряжи еще более похожей на структуру шерсти, пряжа приобретает оригинальный эффект «извитости». Применяемые отечественными предприятиями ПП нити для ворсовой основы являются импортным сырьем, и указанные в контрактах показатели характеризуют в основном структуру нити и её прочностные свойства.

Целью исследования являлось выявление особенностей деформирования и разрушения полипропиленовых нитей различного способа получения.

Вследствие того, что полипропиленовых нити различных производителей относят к комплексным нитям, их прочностные характеристики, а также особенности их деформирования и разрушения определяются прочностными свойствами элементарных нитей, их количеством и неравномерностью их разрушения. Последнее обусловливается структурой и формой элементарной нити. Установлено, что видом поперечного сечения исследуемых полипропиленовых элементарных волокон является «трилобал»–трехлуче-вое сечение (рисунок 1).

Строение (структура) полипропиленовых нитей в значительной мере определяет их свойства и возможности использования. Обычно структура определяется размерами, формой элементов, из которых состоят полипропиленовые текстильные нити, взаимным расположени- ем элементов и их свойствами. Характеристики структуры включают характеристики элементов, их взаимного расположения и связей. Из характеристик элемента наиболее важными являются показатели размеров, формы, его состояния и свойств. Применительно к комплексным нитям такими показателями являются количество элементарных нитей, толщина (тонина) элементарных нитей (филаментов), неравномерность по этим показателям, вид поперечного сечения элементарного волокна, показатели механических и других свойств. Число филаментов и линейная плотность исследуемых комплексных нитей было определено путем их непосредственного подсчета, результаты которого представлены в таблице 1.

У химических нитей отмечается наличие поперечной гетерогенности показателей структуры и механических свойств [1, 2, 3]. Наличие указанной гетерогенности обусловлено неоднородностью физических полей в зоне формования и последующих обработок нитей (температурных, концентрационных, аэрогидродинамиче-ских, реологических) [4]. Можно отметить, что увеличение количества элементарных нитей в комплексной приводит увеличению степени поперечной гетерогенности структуры и показателей механических свойств [4]. Это связано с тем, что в пучке нитей возможно проявление их разнодлинности [2]. Однако существующие методы исследования влияния поперечной неравномерности свойств на особенности процессов деформирования и разрушения пучка нитей

абв

Рисунок 1 – Общий вид поперечных сечений исследуемых элементарных полипропиленовых нитей: а – BCF(Турция), б – Heat-Set (Турция), в – Frize (Франция)

Таблица 1 – Характеристики структуры полипропиленовых нитей Вид нити Наименование производителя Число элементарных нитей Линейная плотность, текс Номинальная Фактическая BCF Filartion, Франция 135 260 259 Heat-set Tattextil, Турция 144 210 204 Frize Arasta, Турция 135 260 277 весьма трудоёмки, и как отмечается в исследованиях, представленных в работах [4, 5], довольно часто не дают количественную информацию о степени влияния каждой из них на показатели механических свойств. Вместе с тем методы, позволяющие осуществлять прогноз степени гетерогенности в зависимости от формы и параметров диаграммы растяжения, практически отсутствуют.

Следовательно, проведение комплекса исследований, направленных на изучение степени влияния поперечной гетерогенности показателей механических свойств текстильных нитей на особенности механизма их деформирования и разрушения, является актуальной научно-технической задачей.

В работах [1, 4, 5] профессор К.Е. Перепёлкин отмечает несомненную практическую значимость такого показателя, как коэффициент реализации прочности для комплексных химических нитей, численное значение которого определяется следующим соотношением:

где Р_п - значение разрывной нагрузки комплексной нити, Н; Р 1 - значение разрывной нагрузки элементарной нити, Н; n - число элементарных нитей в комплексной.

Однако, вследствие трудоемкости оценки данного показателя в работах [4, 5] предлагается производить его оценку на основе анализа диаграммы растяжения (не только левой, но и правой, нисходящей её части) с использованием следующего соотношения:

где W_max - работа деформации до точки максимума, Дж; W_no ^ _H - работа деформации до точки полного разрыва, Дж; § - показатель, связанный с коэффициентом вариации прочности филаментов в комплексной нити, § = 1,02 [4].

В исследованиях, представленных в работах [6–8], автором на основании использования метода статической имитации полуциклового испытания на растяжение проводится анализ самого общего случая испытания на растяжение пучка слабосвязанных нитей, что характерно для процесса деформирования и разрушения полиэфирных комплексных нитей с пологой круткой либо при зажимном расстоянии меньше критического. Установлен закономерный характер уменьшения разрывной нагрузки комплексной нити при увеличении степени разнодлинности элементарных нитей пучка, а оценку коэффициента реализации прочности комплексных нитей предлагается производить на основании использования следующего соотношения:

,, I\(C_L) г , I , (3)

Рр"

где P_P(C_L) - значение разрывной нагрузки комплексной нити Р_р как функции степени раз-нодлинности филаментов (коэффициента вариации) C_L , Н; Р_р0 - значение разрывной нагрузки нити при отсутствии поперечной разнодлинно-сти филаментов, Н; а - параметр модели, характеризующий темп снижения разрывной нагрузки нити при увеличении степени разнодлинности филаментов, а = 3,3 10^-2 1 / %.

Для практического использования соотношения (3) возникает необходимость в оценке степени поперечной разнодлинности филаментов нити CL. В исследованиях, представленных в работах [6, 7], методами статистического имитационного моделирования процессов дефор- мирования и разрушения пучка текстильных нитей показана возможность оценки данного показателя на основе комплексного анализа диаграммы растяжения (не только восходящей, что является общепринятым подходом, но и нисходящей части диаграммы):

где P₁ – текущее значение нагрузки, при котором в деформировании участвуют все нити пучка, Н; l₁ – абсолютное удлинение нитей пучка, при котором в деформировании участвуют все нити (волокна) пучка, мм; ε _ð – относительное разрывное удлинение нити, %; σ _ó – условный предел упругости нити, Па; К _L – параметр модели, характеризующий абсолютное изменение угла наклона касательной, проведенной к восходящей части диаграммы растяжения при увеличении степени разнодлинности филаментов нити на 1 % ( К _L = 1,66 град / %), град / %.

Обоснование физического смысла параметров модели (4), а также методика их оценки по результатам комплексного анализа диаграмм растяжения довольно полно изложена в работах [7, 8].

Для проверки правомерности практического использования результатов, полученных в ходе проведённых исследований, в условиях специализированной лаборатории учреждения «Научно-исследовательский центр Витебского областного управления МЧС» на разрывной машине РМ – 50 К проведён комплекс экспериментальных исследований. При проведении испытаний зажимная длина составляла 500 мм, средняя продолжительность процесса деформирования до разрыва нити (20 ± 3) с, предварительное натяжение – 100 сН, количество испытаний для каждого образца равнялось 50. В качестве объектов исследований использовались полипропиленовые комплексные нити различных способов получения, характеристики структуры которых были представлены в таблице 1.

Экспериментальные диаграммы растяжения исследуемых нитей представлены на рисунке 2.

В таблице 2 представлены основные результаты экспериментальной оценки и прогнозные значения показателей механических свойств по

Рисунок 2 – Диаграмма растяжения «нагрузка – относительное удлинение» ПП нитей различного способа получения: 1 – Нить Frize «Tattekstil» (Турция); 2 – Нить Heat-Set «Arasta» (Турция); 3 – Нить BCF «Filarlois» (Франция)

двум методикам, приведенным в работах [5, 6] для исследуемых образцов полипропиленовых нитей.

Анализ результатов экспериментальной оценки показателей прочностных свойств полипропиленовых нитей позволяет отметить, что:

• •    различие способа получения полипропиленовых нитей (ВСF, Heat-set, Frise) оказывает влияние на их разрывные характеристики;

• •    наибольшую нагрузку до момента разрыва выдерживает нить Frize, ( Ð_P = 9,02 Н при относительном удлинении ε _ð = 36,95 %). Значительно меньшую нагрузку выдерживают нити Heat-set (РP = 4,93 Н при относительном удлинении ε _ð = 37,32 %) и BCF ( Ð_P = 4,96 Н при относительном удлинении ε _ð = 30,52 %).

Сравнительный анализ прогнозных значений показателей механических свойств полипропиленовых нитей показал, что:

• •    отклонения значений коэффициента реализации прочности, определенного по двум совершенно различным методологическим подходам, не превышает 5 %. Следовательно, метод статистической имитации полуциклового испытания на растяжение, применяемый при исследовании полиэфирных нитей [7, 8], правомочно использовать и при исследовании полипропиленовых нитей;

• •    установлено, что наибольшим коэффи-

  Таблица 2 – Результаты экспериментальной оценки и прогнозные значения показателей механических свойств ПП нитей различного способа получения
  Показатель	Нить BCF Filartion, Франция	Нить Heat-Set «Arasta», Турция	Нить Frize «Tattekstil», Турция
  Значение разрывной нагрузки, Рр , Н	4,96	4,93	9,02
  Относительное разрывное удлинение, соответствующее разрушению первого филамента нити, е р , %	30,52	37,32	36,95
  Относительное полное разрывное удлинение, , %	90,30	44,88	43,98
  Условный предел упругости, а , МПа	23,95	4,02	11,91
  Нагрузка, при которой в деформировании участвуют все филаменты нити, Р 1 , Н	1,98	1,99	6,01
  Абсолютное удлинение, при котором в деформировании участвуют все филаменты нити, 1 1 , мм	17,25	26,51	20,95
  Степень разнодлинности филаментов, C L , %	19,02	1,12	1,12
  Работа деформации до точки максимума, Wmax , Дж	95,97	112,48	179,89
  Работа деформации до точки полного разрыва, Wnojm , Дж	204,88	127,9	202,52
  Коэффициент реализации прочности нити, К Р – по модели (2) – по модели (3)	0,69 0,71	0,95 0,98	0,96 0,98

циентом реализации прочности нити обладают ПП нити Heat-set и Frize. У нити BCF К _р значительно ниже, что обусловлено особенностями их получения.

ВЫВОДЫ

В результате проведенного комплекса исследований:

• •    установлены показатели механических свойств ПП нитей различного способа получения;

• •    предложен новый методологический подход для определения коэффициента реализации прочности ПП нитей различного способа получения.

collection of proceedings on the textile materials technology, devoted to the 100 anniversary from the date of A.N.Soloveva's birth , Moscow, 2008, pp. 17–31.

Tehnologija tekstil'noj promyshlennosti

–

Proceedings of higher education institutions. Textile industry technology, 2006, № 6, pp. 17–21.

imitation of test at studying of formation and destruction chemical threads [Primenenie imitacii ispytanija pri izuchenii formirovanija i razrushenija himicheskih nitej], Actual problems and directions of development of materials technology of products of service, textile and light industry, 2010, pp. 100–111.