Разработка методики исследования эксплуатационных свойств искусственных кож

Витебский государственный технологический университет

ARTIFICIAL LEATHER, PERFORMANCE PROPERTIES, QUALITY, METHODOLOGY

Artificial leather is widely used in shoe industry. Artificial leather is exposed to various influences while wearing shoes. Existing methodology do not allow to evaluate the performance properties.

This article describes a new method to assess the performance properties of artificial leather. Method takes into account technological and exploitative influence.

The article presents the results of a research of the performance properties of artificial leather. The objects of the study were artificial leather with a three-layer structure.

с учетом технологических и эксплуатационных воздействий.

Область применения результатов – обувная промышленность.

Научная новизна работы заключается в том, что предложенная в ней методика оценки эксплуатационных свойств искусственных кож позволяет проводить исследования эксплуатационных свойств материалов с учетом технологических и эксплуатационных воздействий.

\_____________________________

На современном этапе экономического развития, характеризующегося возрастающими требованиями потребителя и глобализацией рынков, решение задач повышения качества и конкурентоспособности продукции приобретает первостепенное значение. Для повышения качества выпускаемой продукции утверждена государственная программа «Комплекс мер на 2016–2020 годы по стимулированию внедрения в экономику страны передовых методик и современных международных систем управления качеством». Одним из главных направлений принятой для реализации программы является совершенствование на основе современных подходов к разработке и производству качественной и конкурентоспособной продукции. Решение поставленных задач невозможно без применения научно-обоснованных требований и современных методик, позволяющих оценивать технологические и эксплуатационные свойства материалов.

Искусственные кожи (ИК) достаточно широко применяются в производстве обуви. Объем производимой обуви с верхом из ИК в Республике Беларусь планируют увеличить к 2020 году на 2–3 млн пар в год, что составит 15–20 % в общем объеме выпуска обуви в Беларуси. Однако выбор ИК для наружных деталей верха обуви продолжает оставаться сложной задачей, так как отечественная промышленность не производит мягкие ИК, а применение современных импортных материалов для производства деталей верха обуви сдерживается недостатком сведений об их структуре, технологических и эксплуатационных свойствах.

Анализируя данные по возврату обуви с вер- хом из ИК на предприятиях концерна «Беллег-пром», можно заметить существенный объем возврата обуви клеевого метода крепления по дефекту «разрушение ИК». За 2016 г. и 2017 г. данный дефект составил 48 % и 36 % соответственно от общего количества дефектов по возврату данного вида обуви клеевого метода крепления. Возникновение такого дефекта появляется из-за неправильного подбора ИК для верха обуви без учета их технологических и эксплуатационных свойств на этапе входного контроля. Разработанные ранее методы оценки технологических и эксплуатационных свойств не дают возможности оценить технологическую пригодность и прогнозировать эксплуатационные свойства ИК. Поэтому требуется разрабатывать методики исследования свойств ИК, позволяющие дать объективную оценку свойств материалов [1].

При разработке любой методики, связанной с комплексной оценкой свойств материалов для изделий легкой промышленности, приходится решать две проблемы:

– первая связана с приближением характера воздействия на материал по технологическим и эксплуатационным признакам;

– вторая связана с наличием ТНПА на подобные виды исследований, но которые, как правило, далеки от характера технологических и эксплуатационных воздействий или вообще их не учитывают.

В настоящее время существует ряд стандартов для оценки эксплуатационных свойств ИК: ISO 7854:1995 «Ткани с резиновым или пластиковым покрытием. Определение стойкости к разрушению при многократном изгибе» [2];

ГОСТ 13868-74 «Кожа хромовая для верха обуви. Метод определения устойчивости покрытия к многократному изгибу» [3]; ГОСТ 8978-2003 «Кожа искусственная и пленочные материалы. Методы определения устойчивости к многократному изгибу» [4]; ГОСТ 20876-75 «Кожа искусственная. Метод определения морозостойкости в динамических условиях» [5]; ГОСТ 15162-82 «Кожа искусственная и синтетическая и пленочные материалы. Метод определения морозостойкости материалов в статических условиях» [6]; ГОСТ 28789-90 «Ткани с резиновым или пластмассовым покрытием. Испытание на изгиб при низкой температуре» [7].

Однако данные стандарты позволяют проводить испытания только в лабораторных условиях при нормальных условиях окружающей среды (температура (20±2) ºС и относительной влажности (65±5) %) и не позволяют программировать условия изменения температуры и влажности при длительных испытаниях, изменять скорость нагружения и угол изгиба образцов. Стандарты, связанные с испытанием при низких температурах, не позволяют имитировать биомеханические воздействия стопы на материал изделия.

Для оценки технологической пригодности ИК в нормативной базе Республики Беларусь существует один стандарт ГОСТ 17316-71 «Кожа мягкая искусственная. Метод определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве» и нет ни одного стандарта на нормируемые значения показателей [8]. Регламентируемые в ТНПА показатели физико-механических свойств недостаточно информативны, так как не позволяют в полной мере оценить способность материалов к сложному технологическому процессу формования верха обуви [9].

В работах А. П. Дмитриева предложен целый комплекс физико-механических показателей для оценки формовочных свойств и пригодности материалов к формованию [10–12]. Данные критерии позволяют оценить формовочные свойства и технологическую пригодность, однако определение их – довольно длительный процесс, что затрудняет применение предложенных авторами методик при входном контроле на предприятии.

В дальнейшем авторами статей [13–18] были предложены методики оценки технологической пригодности ИК при одноосном или двухосном растяжении, позволяющие учитывать конструктивные особенности верха обуви и воздействия технологических факторов. Предлагается новый подход в последовательном изучении технологических и эксплуатационных свойств на основе разработанных методик оценки технологических свойств ИК с последующим исследованием их эксплуатационных свойств. Данный поход позволит на этапе входного контроля производства изделий оценить технологическую пригодность и прогнозировать эксплуатационные свойства ИК.

Цель данной работы заключается в разработке методики оценки эксплуатационных свойств ИК при динамическом нагружении в широком диапазоне температур.

В основу разработанной методики положены стандарты ГОСТ 13868-74 «Кожа хромовая для верха обуви. Метод определения устойчивости покрытия к многократному изгибу» и ISO 7854:1995 «Материалы текстильные с каучуковым или полимерным покрытием. Определение устойчивости к повреждению при многократном изгибе» [2, 3].

С целью устранения указанных выше недостатков была спроектирована и изготовлена установка для оценки эксплуатационных свойств ИК и встроена в климатическую камеру, которая легко вынимается из нее в случае необходимости выполнения других испытаний.

В качестве аналога для разработки установки был взят флексометр Балли, исходя из следующих соображений:

– во-первых, он позволяет обеспечить процесс складкообразования, подобный тому, который происходит в пучковой части союзки обуви;

– во-вторых, это стандартизованный метод, и приборы типа ИПК-2М имеются на предприятиях, а также выпускаются широко за рубежом [19].

Сущность методики заключается в многоцикловом нагружении пробы из ИК с имитаций технологических и эксплуатационных воздействий. Методика включает следующие этапы:

• 1)    отбор образцов и имитация на них технологических режимов;

• 2)    подготовка проб и установки для оценки эксплуатационных свойств ИК к проведению испытаний;

• 3)    проведение испытаний на многоцикловое нагружение;

• 4)    определение показателей оценки эксплуатационных свойств ИК;

• 5)    определение комплексного показателя свойств ИК.

Отбор образцов осуществляют не ближе 100 мм от края рулона по ГОCТ 17316-71. Образцы вырезают размерами (140х200) мм для имитации одноосного растяжения либо диаметром 180 мм при двухосном растяжении. Далее в лабораторных условиях имитируют технологический процесс формования заготовки верха обуви внутреннего способа формования, который включает следующие технологические операции:

• 1)    предварительное формование носочной части на машине модели 50/2R фирмы «Matic», на которой пакет верха сначала в носочной части пластифицируется в течение 10 с при температуре 120 ºС , а затем заготовка помещается в зазоры между пластинами и разогретый до 150 ºС горячий пуансон, вдавливаясь в заготовку, формует носочную часть;

• 2)    увлажнение заготовки верха паром при температуре (100-120) ºС в течение 1-1,5 минуты с последующим одеванием заготовки на колодку с деформацией материала на 15 %;

• 3)    влажно-тепловая обработка материала на машине SAVE-2000 с следующими температурными режимами: влажным горячим воздухом – t = 65-75 ºС , φ = 96±1 %, τ = 1 мин ; сухим горячим воздухом - t = 100-140 ºС , τ = 3-5 мин ; охлаждение - t = 20-25 ºС , τ = 1-2 мин .

После имитации технологического воздействия вырубают элементарные пробы специальными резаками в форме прямоугольника размером (45±70) мм в продольном и поперечном направлении в количестве не менее шести проб по каждому из них. Проверяют поверхность проб на наличие механических повреждений. Элементарные пробы кондиционируют при относительной влажности воздуха (65±5) % и температуре (20±2) % не менее 24 ч .

Подготавливают к испытанию климатическую камеру YTH-408-40-1P. Проведение испытаний ИК на установке происходит следующим образом: рабочий блок флексометра установки помещают в климатическую камеру. В зажимы закрепляют пробы. С помощью программного обеспечения климатической камеры устанавливают температурные режимы. После задания условий испытания включают климатическую камеру и ждут установление необходимого режима. После чего включают установку и производят многоцикловое нагружение проб. Испытания на многоцикловое нагружение проводят при в широком диапазоне температур от -40 ºС до +150 ºС и относительной влажности воздуха от 20 % до 98 %. Режим испытания выбирается в зависимости от цели исследований или они указаны в нормативной документации на материал.

Скорость нагружения образцов ИК регулируют с помощью установленного преобразователя частоты типа ESV751N04TXB и выбирают в зависимости от биомеханических воздействий стопы на материалы верха.

Привод для испытания на многоцикловых нагружений состоит из основания, на котором установлен электродвигатель 1, и шкив 2, 3. Электродвигатель 1 с помощью ременной передачи 4 передает движение валу 5. Вращательное движение упора 6 создает качательное движение ролика поворотного вала 8 и поворотного вала 7. Поворотный вал 7 передает движение валу, на котором закреплены зажимы пульсатора. Кинематическая схема привода представлена на рисунке 1. Установка для оценки эксплуатационных свойств ИК позволяет:

• 1)    проводить длительные исследования материалов при заданной температуре и влажности, что обеспечивает имитацию различных воздействий окружающей среды;

• 2)    изменять скорость нагружения за счет изменения частоты вращения поворотного вала, уменьшая время проведения испытаний, а также имитировать интенсивность воздействий на материал изделия (например, ходьба или бег);

• 3)    изменять угол нагружения, тем самым имитировать разные условия эксплуатации.

Контроль лицевой поверхности ИК производят через 1 час. При отсутствии нарушения покрытия испытания продолжают, пробы проверяют через 30 мин . Испытание заканчивают при появлении трещин. При температурах ниже нуля время испытаний устанавливают фиксированное: (30-60) мин .

Для оценки эксплуатационных свойств ИК

Рисунок 1 – Кинематическая схема привода:

1 – электродвигатель; 2, 3 – шкив; 4 – ремень;

5 – вал упора; 6 – упор; 7 – вал поворотный;

8 – ролик вала поворотного

теля наличия трещин i -го образца.

Оценку повреждений поверхности образцов производят с помощью луп типа ЛП1-2,5х,ЛП1-4х, соответствующих ГОСТ 25706-83 «Лупы. Типы, основные параметры. Общие технические требования» или других с увеличением 10х.

Испытанные образцы классифицируют по балльной шкале, устанавливающей четыре степени повреждения: 1 балл – явно выраженная трещина с разрушением поверхности кожи или осыпанием покрытия; 2 балла - мелкие трещины без разрушения поверхности кожи и покрытия; 3 балла – мелкая сетка; 4 балла – отсутствие трещин.

Коэффициент сохранения прочности служит показателем, который оценивает степень изменения прочностных свойств материалов после испытаний. При носке заготовки верха в ней преобладает или одноосная, или двухосная деформация. В носочно-пучковой части обуви преобладает двухосная деформация, а например, по верхнему канту в женских туфлях лодочка преобладает одноосное растяжение. Поэтому в зависимости от цели исследования определяют коэффициент потери прочности при одноосном или двухосном растяжении.

Коэффициент потери прочности рассчитываем по формуле (2)

определяем следующие показатели:

– относительный показатель наличия трещин, Т ;

– коэффициент потери прочности, К_П .

Относительный показатель наличия трещин позволяет нам оценить визуальные изменения, происходящие с материалам после многоцикловых нагружений, и дать оценку внешнему виду материала.

Относительный показатель наличия трещин рассчитываем по формуле (1)

,                    (1)

Чбаз где qбаз – значение показателя наличия трещин контрольного образца, принимаемое равным 4, как наилучшее значение; qi - значение показа-

Р

,                   (2)

РГР где Рi – разрывная нагрузка i-го образца после многоциклового нагружения, Н; РР – разрывная нагрузка контрольных образцов, Н.

Коэффициент потери прочности определяют с помощью разрывной машины. Для этого из образцов вырубают пробы размерами рабочего участка (50х10) мм при одноосном растяжении либо при двухосном растяжении пробы с рабочей частью образца диаметром 25 мм . Пробу вставляют в зажимы разрывной машины и доводят до разрыва.

Определение коэффициента потери прочности при двухосном растяжении проводят на запатентованных устройствах «Универсальное устройство к разрывной машине для оценки деформационных свойств материалов при двухос- ном растяжении» или «Устройство к разрывной машине для оценки свойств материалов верха обуви сферическим растяжением» [20, 21]. Внешний вид универсального устройства к разрывной машине для оценки деформационных свойств материалов при двухосном растяжении представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Универсальное устройство к разрывной машине для оценки деформационных свойств материалов при двухосном растяжении

Универсальное устройство к разрывной машине для оценки деформационных свойств материалов при двухосном растяжении было разработано в целях исследования релаксационных процессов в материалах, а устройство к разрывной машине для оценки свойств материалов верха обуви сферическим растяжением разработано для проведения исследований на предприятиях. Устройства позволяют проводить испытания на различных диаметрах пуансона в зависимости от использованных тел вращения.

Комплексный эксплуатационный показатель ( К_э ) рассчитывается по формуле (3)

где Т – относительный показатель наличия трещин; К_П – коэффициент сохранения прочности.

По формуле (3) рассчитываем комплексный эксплуатационный показатель и полученные безразмерные величины соотносим с интервалами: 0,00–0,63 – «плохо», 0,63–0,80 – «удовлетворительно», 0,80–1 – «хорошо», которые основываются на функции Харингтона [22].

Отработку методики проводили при нормальных условиях окружающей среды. Объем выборки составлял не менее 10–12 образцов, из которых потом вырубали не менее двух проб при одноосном растяжении и одной пробы при двухосном растяжении.

В статье представлены результаты исследования эксплуатационных свойств ИК Met lack бордо и Met lack т-синий. Образцы ИК выдержали 5 тыс. циклов нагружения на установке для оценки эксплуатационных свойств ИК при нормальных условиях окружающей среды. Внешний вид образцов ИК Met-lack т-синий и Met-lack бордо после многоциклового нагружения представлен на рисунке 3.

Расчет показателей, характеризующих эксплуатационные свойства материалов: относительного показателя наличия трещин, коэффициента потери прочности, комплексного эксплуатационного показателя – представлен в таблице 1.

Показатель «Разрывная нагрузка после многоциклового нагружения» определяли на разрывной машине РT-250-2М с помощью устройства к разрывной машине для оценки деформационных свойств материалов при двухосном растяжении с рабочей частью образца Ø25 мм и со скоростью нагружения 25 мм/мин . Повреждение лицевой стороны ИК определяли визуально и присваивали балл от 1 до 4.

Анализируя полученные данные в таблице 1, можно сделать следующие выводы:

– на исследуемых образцах Met-lack т-синий в продольном и поперечном направлении появляются трещины без повреждения полимерного покрытия ИК, а у Met-lack бордо появились

Рисунок 3 – Внешний вид образцов Met-lack т-синий и Met-lack бордо

Таблица 1 – Усредненные значения показателей эксплуатационных свойств ИК при многоцикловых нагружениях
Материал	о; h 1 га га о ^ z ^ ° 1 S % х В го из	10 ^ ГП х о □ С ф >5 ^ о Л	га о О. е	и = О £ X X X s S к о S ” 1 3 2 х м	S И е о. с S	X = н
Met lack т-синий в продольном направлении	2	0,5	856	519	0,61	0,55
Met lack т-синий в поперечном направлении	2	0,5	888	840	0,95	0,72
Met lack бордо в продольном направлении	1	0,25	730	434	0,59	0,38
Met lack бордо в поперечном направлении	1	0,25	837	755	0,90	0,47

складки с разрушением полимерного покрытия;

– значения комплексного эксплуатационного показателя показывают, что исследуемые образцы ИК имеют низкие значения эксплуатационных свойств и попадают в градацию качества «плохо» и «удовлетворительно», только образцы Met-lack т-синий в поперечном направлении попадают в градацию качества «хорошо».

Анализ экспериментальных данных по оценке эксплуатационных свойств ИК позволяет сделать вывод о том, что исследованные материалы обладают недостаточной динамической устойчивостью. Это проявляется в разрушении покрытия и снижения прочности основы ИК.

Таким образом, разработана методика оценки эксплуатационных свойств ИК в широком диапазоне температур и установка, позволяющая проводить исследования материалов на многоцикловое нагружение с учетом технологических и эксплуатационных воздействий.

Предложенный подход к оценке эксплуатационных свойств ИК отличается от уже извест- ных тем, что позволяет имитировать различные условия носки за счет изменения скорости и угла нагружения и учитывать технологические воздействия, так как после изготовления обуви материал заготовки имеет уже другие свойства и структуру, а также методика позволяет оценить и прогнозировать эксплуатационные свойств ИК на стадии входного контроля производства.

Данные отличия дают более объективную оценку эксплуатационным свойствам ИК, тем самым повышают качество и конкурентоспособность производимой обуви.