Разработка методики исследования эксплуатационных свойств композиционных слоистых материалов

В настоящее время для производства спортивной одежды широкое применение получили композиционные слоистые материалы (КСМ), содержащие мембранный слой [1]. Это водонепроницаемые, ветронепродуваемые, износостойкие, легкие ткани, в одежде из которых можно оставаться на открытом воздухе в мороз или при дожде. Присутствие мембранного слоя в материале позволяет защищать нижние слои одежды от намокания, выводя наружу пот и дает возможность коже дышать. Существуют различные виды мембран: беспоровые, поровые и комбинированные [2]. По морфологии мембранного слоя принято разделять губчатые или корпускулярные пористые структуры для гидрофобных полимеров и монолитные беспоровые для гидрофильных полимеров. Мембранные материалы чаще всего вырабатывают 2-слойными, 2,5-слойными и 3-слойными (2L; 2,5L; 3L). В качестве половины слоя обычно указывают ультратонкий (около 20 мкм) слой или «накат» в виде сетки, полос, штрихов, точек полимера [3].

Новые материалы зачастую требуют особого подхода к оценке их свойств. В настоящее время популярность биатлона возросла благодаря успешным выступлениям белорусских спортсменов на мировой арене [4]. Увеличение спроса на одежду для зимних видов спорта ведет к возрастанию конкуренции на белорусском рынке спортивной одежды. Покупатель стоит перед выбором, приобрести одежду низкого качества с привлекательной ценой или высококачественные товары из высокотехнологичных материалов, отличающихся высокой стоимостью.

Создание одежды для защиты от холода в соответствии с реальными условиями ее эксплуатации является сложной научной и практической задачей, так как она должна удовлетворять требованиям, часто не совместимым друг с другом, а порой и противоречивыми. В одежде специального назначения при эксплуатации ее в экстремальных ситуациях должны сочетаться малая масса и высокие теплозащитные свойства; малая воздухопроницаемость и достаточная влагопроводность, необходимая для обеспечения влагообмена человека с окружающей средой. Одежда должна защищать человека от поверхностного увлажнения в виде осадков и не препятствовать удалению влаги с поверхности тела, она должна одновременно защищать от охлаждения человека в состоянии покоя и не вызывать перегревания при интенсивных физических нагрузках [5].

В работе [6] указано, что низкие температуры по-разному влияют на разрывную нагрузку и разрывное удлинение, на составные части полной деформации. В процессе исследования было выяснено, что с понижением температуры до -50 °С разрывная нагрузка тканей возрастает, а разрывное удлинение уменьшается. Интенсивность разрывной нагрузки и разрывного удлинения неодинакова и зависит от сырьевого состава. Максимальное увеличение разрывной нагрузки (на 52 %) наблюдается в тканях, выработанных из лавсановых комплексных нитей, наименьшее (на 28 %) – в тканях из хлопчатобумажной пряжи. Наиболее резко снижается удлинение (до 30 %) ткани из комплексных капроновых нитей.

В работе [7] указано, что при понижении температуры с 20 °С до -40 °С текстильные волокна и нити существенно изменяют механические свойства. Разрывная нагрузка натуральных и химических волокон возрастает на 25‒60 % (кроме хлопковых и льняных, у которых отмечается снижение разрывной нагрузки на 5‒10 %), а разрывное удлинение уменьшается на 15‒30 %. На текстильные материалы понижение температуры оказывает аналогичное влияние. Так, при снижении температуры до -50 °С разрывная нагрузка для тканей из химических волокон и нитей возрастает на 35‒50 %, при температуре -15…-10 °С разрывная нагрузка для тканей из хлопковых волокон увеличивается на 6‒10 %. Разрывное удлинение тканей при пониженных температурах уменьшается на 10‒30 %. Растяжимость эластичных тканей при пониженных температурах снижается; наибольшее уменьшение показателей упругого и высокоэластического компонентов полной деформации растяжения наблюдается при температуре -35…-20 °С.

Применение композиционных слоистых материалов при активных физических нагрузках в разных погодных условиях окружающей среды ставит актуальную задачу ‒ изучение воздействия низких температур, связанных с эксплуатацией, на прочностные и деформационные характеристики материалов.

Анализ литературных данных показал, что отсутствуют данные о процессах деформирования и нет методов исследования, учитывающих сложную, неоднородную структуру КСМ. Все это подтверждает актуальность проведения данных исследований. Стандарты [8, 9, 10, 11], связанные с испытанием материалов при низких температурах, не позволяют имитировать динамические воздействия локтевых и коленных суставов на материал изделия. Учитывая вышеизложенное, целью работы является разработка методики исследования эксплуатационных свойств композиционных слоистых материалов.

Содержание методики заключается в многоцикловом нагружении пробы из КСМ с моделированием эксплуатационных воздействий. На кафедре «Технического регулирования и товароведения» УО «ВГТУ» разработана установка для испытания материалов для одежды и обуви, которая описана в источнике [12]. Установка оснащена изгибателем, который обеспечивает возможность одновременного испытания 12 образцов при различных условиях нагружения, и снабжена преобразователем частоты для изменения скорости нагружения образцов.

В лабораторных условиях с помощью установки для исследования эксплуатационных свойств одежды и обуви, которая помещается в климатическую камеру, были имитированы реальные эксплуатационные воздействия на материал.

Для испытаний элементарные пробы отбирают по ГОCТ 17316-71 не ближе 50 мм от края рулона и вырезают размером 50*200мм не менее 5 образцов. Образцы проб кондиционируются перед испытанием при температуре (20±2) % и относительной влажности воздуха (65±5) % не менее 24 ч. Образцы материала закрепляют в зажимы устройства для испытания материалов при многоцикловых механических нагрузках, которое находится внутри климатической камеры. Предварительно до начала испытания острые края верхних и нижних зажимов закрывают мягкими наконечниками, для защиты образцов материалов от разрушения.

Образец сгибают вдоль средней линии лицевой поверхностью внутрь и один верхний конец образца вставляют согласно разметке (рис.1) до упора в подвижный верхний зажим и закрепляют винтом (рис. 2 а). Свободный конец образца (рис. 2 b) и без натяжения закрепляют в неподвижном нижнем зажиме (рис. 2 c) [13]. После этого включают климатическую камеру и задают с помощью дисплея параметры: влажность 0 %, температура внутри климатической камеры -20 °С. Заданный режим устанавливается в течение 30‒40мин, затем включают устройство с зажимами и производят многоцикловое нагружение образцов материала. Подвижные верхние зажимы совершают возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости с частотой 100 циклов в минуту в течение 1 часа, что соответствует предполагаемому интервалу тренировки спортсменов. После этого, отключают устройство с зажимами и устанавливают влажнотемпературные параметры: +25 °С и 65 % влажности, при достижении которых выдерживают заданный режим еще в течение 40‒45минут.

Рисунок 1 – Схема разметки образца

В качестве объекта исследования были отобраны 6 образцов материалов. Характеристика объектов исследования приведена в таблице 1.

b

a

c

Рисунок 2 – Схема заправки образца

Одним из важных эксплуатационных требований, предъявляемых к одежде, является высокая прочность [14], поэтому были проведены испытания по определению разрывной нагрузки и удлинения образцов после воздействия температур в диапазоне от 0 °С до -20 °С согласно ГОСТ 3813-72.

«Материалы текстильные. Ткани штучные изделия. Методы определения разрывных характеристик при растяжении». Параметры испытаний приведены в таблице 2. Результаты разрывной нагрузки в разных температурных режимах после действия многоцикловых нагрузок приведены на рисунке 3, 4.

Таблица 1 – Характеристика объектов исследования

Номер	Количество слоев	Состав	Толщина, мм	Поверхностная плотность, г/м	Переплетение	Страна производитель
1	2,5L	Текстиль – ПЭ, мембрана ПУ(гидрофильн)	0,19	217	Полотняное	Ultrex, Корея
2	2L	Текстиль – ПЭ, мембрана – ПУ(гидрофоб)	0,17	124	Полотняное	Ultrex, Корея
3	2L	Текстиль – ПЭ, мембрана ПУ(гидрофильн)	0,16	97	Мелкоузорчатое	Aquatex, Корея
4	2L	Текстиль – ПЭ, мембрана – ПУ(гидрофильн)	0,17	130	Мелкоузорчатое	Aquatex, Корея
5			0,18	148
6	3L	Текстиль – ПЭ, мембрана – ПУ(гидрофильн)	0,23	361	Полотняное	Taslan, Корея

Таблица 2 – Параметры испытания для определения разрывных характеристик

Вид ткани	Параметры испытания	Пробы образцов
Композиционные слоистые     материалы, содержащие мембранный слой	Размеры, форма, мм Зажимная длина, мм Скорость опускания нижнего зажима, мм/с Продолжительность растяжения до разрыва, с	50*200, прямоугольная 100 200 20‒50

Изменение разрывной нагрузки в различных температурных условиях после многоцикловых нагрузок

Рисунок 3 – Гистограмма разрывной нагрузки образцов после действия многоцикловых нагрузок и температур

Изменение удлинения в различных температурных режимах после многоцикловых нагрузок

■ t 0 C ■ t -20 C

Рисунок 4 – Гистограмма удлинения образцов после действия многоцикловых нагрузок и температур

Прочность на разрыв при растяжении материалов определяли по максимальной величине прикладываемой нагрузки, при которой происходит разрыв материала, по среднему арифметическому значению испытаний пяти образцов [15]. Исследование проводили на базе кафедры

«Технологии текстильных материалов» УО «ВГТУ», с использованием разрывной машины Electronic Universal Testing Machine TIME WDW-20E (Китай), которая снабжена устройством для записи диаграмм. Параметры машины приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Характеристики разрывной машины

Тип	Универсальная испытательная машина
Диапазон измерения деформации	10мм ‒ 800мм
Масса	<900кг
Максимальная нагрузка	<20КН
Класс точности	0,5
Способ нагрузки	электронная нагрузка
Диапазон регулировки скорости хода	0,05 мм/мин – 500 мм/мин

Анализ результатов показал, что воздействие Таким образом, разработана методика низких температур приводит к незначительному исследования эксплуатационных свойств уменьшению прочностных характеристик. Для композиционных слоистых материалов, проведена ее дальнейших исследований необходимо детальное апробация.

исследование структуры образцов.