Повышение объёмности комбинированной хлопкополиэфирной нити в условиях воздействия электромагнитных волн сверхвысокой частоты

Витебский государственный технологический университет

КОМБИНИРОВАННАЯ НИТЬ, ПОЛИЭФИРНАЯ НИТЬ, ОБЪЁМНОСТЬ, УСАДКА, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Объект исследований

–

комбинированная

хлопкополиэфирная нить линейной плотности 35 текс х 2 и технологические процессы её производства.

Использованы методы математического планирования эксперимента и статистической обработки полученных данных.

Результаты проведенных исследований – доказано влияние электромагнитных волн СВЧ на повышение объёмности комбинированной нити. Определены оптимальные режимные параметры для получения комбинированной высокообъёмной нити.

В результате проведенной работы определено, что использование электромагнитных волн СВЧ влияют на повышение объёмности комбинированной хлопкополиэфирной нити и могут применяться в качестве альтернативного способа влажно-тепловой обработки текстильных материалов.

CORE-SPUN YARN, POLYESTER YARN, BULK, SHRINKAGE, MICROWAVE FREQUENCY

Work has been carried out to increase the volume of the core-spun cotton-polyester yarn under the influence of microwave current. A technique for conducting experiments has been developed. As a result, it was found that the ultra-high frequency currents have an effect and can be used as a wet-heat treatment. Optimization of the technology for obtaining a bulk core-spun cotton-polyester yarn has been carried out, and the optimal parameters of the wet-heat treatment have been determined.

На текущий момент развитие текстильного производстванаправленонаповышениекачества производимой продукции, уменьшение её материалоёмкости и создание новых прогрессивных технологий. Рынок высокообъёмных текстильных нитей представлен в основном нитроновой и полушерстяной пряжей. Пряжа вырабатывает ся из смеси волокон, имеющих различную усадку (30–50 % высокоусадочного волокна и 50– 70 % низкоусадочного). В качестве высокоусадочного компонента используют полиакрилонитрильные волокна или сополимерные волокна на основе акрилонитрила, которые обладают большой (до 30 %) усадкой после влажно-теп- ловой обработки. Пряжа из смеси высоко- и низкоусадочных волокон после влажно-тепловой обработки становится высокообъёмной. Это происходит потому, что в процессе влажно-тепловой обработки высокоусадочные волокна укорачиваются в результате релаксации макромолекул, а низкоусадочные почти не меняют своей длины, но, связанные силами трения с высокоусадочными, изгибаются, придавая пряже пушистый вид (большой объём) [1, 2].

Перспективным направлением в данной области является расширение сырьевого состава пряж и нитей, а также увеличение объёмности за счет полиэфирной высокоусадочной нити, находящейся в сердечнике.

Цель работы – разработка технологии получения комбинированной хлопокополиэфирной высокообъёмной нити, а также оценка влияния электромагнитных волн сверхвысокой частоты (СВЧ) на повышение объёмности комбинированной нити.

Объектом исследований являлись комбинированные хлопкополиэфирные нити линейной плотности 35 текс х 2.

Получение комбинированной нити проводилось по существующей технологии на кольцевой прядильной машине (рисунок 1), оборудованной дополнительной рамкой для установки бобины с комплексной химической нитью и нитенатяжи-телем.

Комплексная нить, сматываясь с бобины 2, огибает два направляющих прутка 1, проходит через натяжное устройство 3, нитепроводник 4, связанный с водилкой 6 для ровницы 5, и соединяется с вытянутой ровницей в передней вытяжной паре 7. На выходе из вытяжного прибора комплексная химическая нить и мычка из хлопковых волокон скручиваются и наматываются в паковку 8.

На участке от вытяжного прибора до бегунка осуществляется кручение комбинированной нити в правом направлении. Наматывание нити на выходную паковку происходит за счет отставания бегунка от веретена. Возвратно-поступательное движение кольца с бегунком вдоль оси веретена обеспечивает укладку комбинированных хлопкополиэфирных нитей по высоте выходной паковки [3].

Для лучшего закрепления волокон на поверх-

Рисунок 1 – Технологическая схема кольцевой прядильной машины для получения комбинированной нити ности комплексной химической нити полученную комбинированную нить скручивают в два сложения на тростильно-крутильном оборудовании с противоположным направлением крутки.

Физико-механические показатели комбинированной хлопкополиэфирной нити представлены в таблице 1.

Повышение объёмности текстильных материалов происходит за счет влажно-тепловой обработки горячим воздухом или паром при температуре 100-180 °C . На современных текстильных предприятиях Республики Беларусь влажно-тепловая обработка происходит на терморелаксационных машинах Spirovan (Superba, Япония) и Espero-Volufil (Savio, Италия), где нить перематывается с бобины на бобину.

В настоящее время ведутся разработки технологий, где в качестве нового способа влажно-тепловой обработки применяются различные виды воздействия, такие как волны сверхвысокой частоты, инфракрасное излучение, ультразвуковые волны. В проведенных исследованиях был выбран способ воздействия на комбинированную нить с помощью электромагнитных волн сверхвысокой частоты (СВЧ), так как экспери-

Таблица 1 – Физико-механические показатели комбинированной хлопкополиэфирной нити
Показатели	Значение
Линейная плотность, текс	35x2
Сырьевой состав, %	Полиэфирная высокоусадочная нить – 47,7 Хлопок – 52,3
Относительная разрывная нагрузка, сН/текс	16,1
Относительное разрывное удлинение, %	21
Диаметр, мм	0,745
Объемность, г/см 3	6,2

менты можно провести в обыкновенной бытовой микроволновой печи [4].

Для проведения термофиксации необходимо присутствие дипольных молекул, которые имеют положительный электрический заряд на одной стороне, а на другой – отрицательный. Такие молекулы содержит вода, поэтому до процесса обработки электромагнитными волнами СВЧ комбинированную нить необходимо увлажнить. В электрическом поле, создаваемым магнетроном, молекулы выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, положительным зарядом в одну сторону, отрицательным – в другую. При смене направления поля на противоположное молекулы переворачиваются на 180°. Под действием поля молекулы вращаются миллионы раз в секунду, создавая молекулярное трение с выделением тепла. Проникновения микроволн достаточно для полного прогревания высокоусадочной полиэфирной нити, находящейся в сердечнике, и протекания процесса усадки. Процесс усадки материала происходит в три этапа:

• 1.    При достижении большой температуры происходит ослабление межмолекулярной связи и разрушение первоначальной структуры полиэфирной нити, созданной при ее формировании. В результате макромолекулы полиэфира изменяют свою форму и ориентацию в нити. На этом этапе и происходит изменение линейных размеров комбинированной нити.

• 2.    На данном этапе происходит образование новых межмолекулярных связей. Отдельные активные группы макромолекул приближаются друг к другу и образуют новые связи. Подвижность макромолекулярных групп зависит он температуры термообработки. Однако ускорение процесса термообработки за счет повышения

• 3.    На данном этапе происходит закрепление образовавшейся структуры межмолекулярных связей за счет охлаждения нити [5, 6].

температуры может привести к резкому изменению молекулярной структуры нитей, что повлечет за собой ухудшение физико-механических свойств.

Так как использование СВЧ в качестве замены традиционных способов теплового воздействия на текстильные материалы изучается, был проведен эксперимент по повышению объёмности комбинированных нитей. Методика проведения экспериментов состоит из следующих этапов:

• 1.    Определение основных физико-механических показателей комбинированной нити до влажно-тепловой обработки.

• 2.    Подготовка образцов для влажно-тепловой обработки электромагнитными волнами СВЧ.

• 3.    Проведение влажно-тепловой обработки образцов при заданных параметрах мощности и времени.

• 4.    Определение физико-механических показателей комбинированной нити после влажно-тепловой обработки.

• 5.    Оптимизация полученных показателей [7].

Факторами, влияющими на повышение объёмности, были выбраны мощность электромагнитных волн СВЧ и время влажно-тепловой обработки. Нижние интервалы варьирования мощности и времени выбраны исходя из априорной информации проводимых ранее исследований. Данная информация свидетельствует о том, что меньшая мощность и время практически не оказывают влияния на процесс термообработки комбинированной нити. Верхний интервал мощности выбран исходя из максимальных технических условий оборудования, на котором проводился эксперимент. Верхний интервал времени выбран исходя из проведенных ранее исследований, которые показывают, что увеличение времени влажно-тепловой обработки снижает влажность комбинированной нити ниже минимально допустимого показателя, что не желательно, так как снижается качество комбинированной нити.

Верхний уровень варьирования времени влажно-тепловой обработки выбран исходя из того, что разрабатываемая технология по данному параметру не должна существенно уступать традиционным методам получения подобных нитей на текстильных предприятиях Республики Беларусь. Факторы и интервалы варьирования представлены в таблице 2.

В качестве критериев оптимизации были выбраны:

• – линейная плотность Ò , текс ;

  – диаметр D , мм ;

  – объёмность V , г/см ³ ;

  – разрывная нагрузка Ð , сН/текс .

По результатам экспериментов в лаборатории кафедры ТТМ УО «ВГТУ» проведен полный факторный эксперимент. Для каждой комбинации уровней входных параметров проводилось два опыта, что позволяет в большей степени оценить их влияние на критерии оптимизации. Получены модели зависимости критериев оптимизации от входных факторов [8, 9]:

– для линейной плотности для комбинированной высокообъёмной нити

Т = 87,87Ч-5,95х^ «1Д5 * х2 -

• - 1,93 * х, * j^ - 2,68 * <  (R²=0.99) ; (1)

  – для диаметра для комбинированной высокообъёмной нити

D ~ 0,998 0.498 * х, ^0,28 *Х, -

• -    0,028 * х, * х₂. - 0,056 *Х (R²=0.99) ; (2)

  – для объёмности для комбинированной высокообъёмной нити

У = 8,9ч- 0,29 * х2 4 0,25 * х2 - 0,305 *

*Х_а * а^ - 0,72 *з| (RM. 97) ;     (3)

– для разрывной нагрузки для комбинированной высокообъёмной нити

Р = 13,4 + 5,25* х,-1,02* х2-

• -    3,78 *^(R²=O.99) . (4)

При проведении оптимизации методом главного критерия в качестве главного критерия была выбрана объёмность комбинированной высокообъёмной нити V . Полученная высокообъёмная комбинированная нить выступает в качестве замены высокообъёмной нити линейной плотности 31 текс х 3, производимой на ОАО «Слонимская КПФ».

По регрессионным моделям полного факторного эксперимента построены поверхности отклика для линейной плотности (рисунок 2), диаметра (рисунок 3), объёмности (рисунок 4) и разрывной нагрузки (рисунок 5). Оси x₁ и x₂ графиков представлены в кодированных значениях и обозначают соответственно мощность ( Вт ) и время ( с ) влажно-тепловой обработки.

Установлено, что зависимость физико-механических показателей комбинированной высокообъёмной нити от мощности и времени имеет

Таблица 2 – Таблица интервалов варьирования факторов

Параметр	Обозначение	Уровни варьирования			Интервал варьирования
		-1	0	+1
Мощность (W) , Вт	x1	500	750	1000	250
Время (t) , с	x2	60	90	120	30 ____J

Рисунок 2 – Поверхность отклика линейной плотности комбинированной высокообъемной нити

Рисунок 3 – Поверхность отклика диаметра комбинированной высокообъемной нити

Рисунок 4 – Поверхность отклика объемности комбинированной высокообъемной нити

Рисунок 5 – Поверхность отклика относительной разрывной нагрузки комбинированной высокообъемной нити

криволинейный характер. Увеличение мощности и времени до определенного значения влечет за собой улучшение показателей нити, достигая максимума, а дальнейшее увеличение роста мощности и времени влажно-тепловой обра- ботки приводит к разрушению структуры комбинированной нити из-за полного испарения влаги.

Для установления максимальных значений параметров проводилась оптимизация процес- са влажно-тепловой обработки. В результате проведенной оптимизации получены расчетные значения критериев оптимизации в точке оптимума, которые не превышают экспериментальные значения более чем на 5 %, представленные в таблице 3, а также оптимальные значения (факторов) для мощности и времени влажно-тепловой обработки электромагнитными волнами СВЧ соответственно W = 746,5 Вт и t = 120 c (x1 = 0, x2 = 1).

На рисунке 6 представлен вид комбинированной нити до (а) и после (б) влажно-тепловой обработки электромагнитными волнами СВЧ, что позволяет наглядно увидеть увеличение объёмности комбинированной нити.

ВЫВОДЫ

• 1.    Разработан технологический процесс получения комбинированной хлопкополиэфир-ной высокообъёмной нити с вложением полиэфирной нити в качестве высокоусадочного компонента и заменой традиционного способа влажно-тепловой обработки на использование электромагнитных волн СВЧ.

• 2.    Установлено, что влажно-тепловая обработка электромагнитными волнами сверхвысокой частоты не уступает традиционным спосо-

  Таблица 3 – Оптимальные физико-механические показатели комбинированной высокообъёмной нити
  Показатели	Экспериментальные данные	Расчетные данные
  Линейная плотность, текс	43,95х2	44x2
  Сырьевой состав, %	Полиэфир высокоусадочный – 47,7 Хлопок – 52,3	Полиэфир высокоусадочный – 47,7 Хлопок – 52,3
  Относительная разрывная нагрузка, сН/текс	13,2	12,5
  Относительное разрывное удлинение, %	39,1	38,6
  Диаметр, мм	0,983	1,038
  Объемность, г/см 3	8,63	8,95

  
  
  

  Рисунок 6 – Вид комбинированной нити до (а) и после (б) влажно-тепловой обработки электромагнитными волнами СВЧ

  
  

• 3.    В результате оптимизации процесса влажно-тепловой обработки комбинированной нити в камере СВЧ установлены рациональные па-

• раметры ее работы мощности W = 746,5 Вт и времени t = 120 с, обеспечивающие получение наибольшего эффекта объёмности нити V = 8,95 г/см3, что способствует снижению материалоёмкости тканых и трикотажных изделий.

бам влажно-тепловой обработки текстильных материалов и может быть использована в качестве их замены.