автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии получения трощено-крученых нитей из оксида алюминия

МЕДВЕДЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТРОЩЕНО-КРУЧЕНЫХ НИТЕЙ ИЗ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

Специальность 05.19.02

Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

005018834

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАП 2012

005018834

МЕДВЕДЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТРОЩЕНО-КРУЧЕНЫХ НИТЕЙ ИЗ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

Специальность 05.19.02

Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре прядения федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н.Косыгина».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Разумеев Константин Эдуардович

Официальные доктор технических наук, профессор

оппоненты: Заваруев Владимир Андреевич

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина»

профессор кафедры технологии трикотажного производства

кандидат технических наук Кудрявцева Тамара Николаевна Открытое Акционерное Общество «Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации легкой промышленности» заведующая лабораторией прядения натуральных и химических волокон

Ведущая организация: Открытое Акционерное Общество «Центральный научно-исследовательский текстильный институт»

Защита состоится «./&» мая 2012 г. в час. мин. на заседании диссертационного совета Д 212.139.02_при Московском государственном текстильном университете имени А.Н.Косыгина по адресу: 119071, Москва, ул. Малая Калужская, д.1,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н.Косыгина».

Автореферат разослан « 48 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета У/

доктор технических наук, профессор I (]//г/^уЮ.С. Шустов

АННОТАЦИЯ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, цель которой - разработка технологии получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия. Совокупность свойств, которыми обладают комплексные нити из оксида алюминия, требует разработки теоретических и экспериментальных обоснований процессов кручения и трощения, что определило направление данной работы и задачи исследований. В работе использованы методы общей физики, аналитической и коллоидной химии, технологии кручения нитей, планирования эксперимента, текстильного материаловедения и др.

В результате исследования разработан комплекс теоретических, методологических научно-обоснованных технологических и технических решений, направленных на получение трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия с заданными физико-механическими свойствами. Результаты работы рекомендуются для проектирования экспериментального образца устройства и опытно-промышленной технологии получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия.

Работа выполнена по договорам № 09-226-14/4453 «Разработка макета установки и технологии получения трощено-крученой комплексной нити с линейной плотностью 200 текс из первичных нитей оксида алюминия» и № 10-255-14/5250-10-11 «Отработка технологии изготовления трощено-крученой нити из тугоплавких непрерывных волокон с линейной плотностью не менее 100 текс и 300 текс» с ФГУП ВИАМ.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

- принципы и процессы технологии получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия;

- средства реализации технологии получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия;

- результаты экспериментальных исследований по отработке технологии получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия;

- технологические режимы средств реализации технологии получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия;

- методики проведения экспериментов по отработке технологии получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изделия технического назначения, в которых используются трощено-крученые нити из комплексных нитей оксида

алюминия, приобретают большое значение в связи с все возрастающими потребностями в теплоизоляционных и конструкционных материалах способных работать при температурах до 1700 °С. Актуальность работы обусловлена необходимостью решения задач, направленных на разработку технологии получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия и устройства для осуществления технологии.

Разрабатываемая технология обеспечит возможность создания изделий технического назначения для теплозащитных материалов в условиях отечественного производства, вне зависимости от импортных поставок. Создание таких материалов является перспективным для применения в узлах уплотнений и теплоизоляции, работающих в зоне повышенных рабочих температур в изделиях энергетической, машиностроительной, химической, нефтехимической отраслей промышленности и др.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка технологии получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия, которые используются в изделиях технического назначения с температурой эксплуатации до 1700 °С.

В соответствии с указанной целью поставлены и решены следующие основные задачи:

- проведен анализ существующих технологических схем получения трощено-крученых химических нитей и показана не возможность их применения для получения трощено-крученых нитей из оксида алюминия;

- исследованы некоторые технологические свойства комплексных нитей из оксида алюминия;

- на основе исследованных технологических свойств нитей обоснованы теоретические, технологические и технические решения получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия;

- обоснованы основные технологические параметры и режимы устройства для получения трощено-крученых нитей из комплексных, нитей оксида алюминия;

- разработан. и изготовлен экспериментальный стенд для реализации поставленной задачи;

- исследована работа функциональных узлов стенда - крутильного механизма, устройства регулирования натяжения нити, замасливающего устройства, наматывающего механизма и механизма раскладки;

- проведены эксперименты по оптимизации основных элементов технологического процесса - натяжения нити при кручении, концентрации замасливающей эмульсии, нахождения зависимости между разрывной нагрузкой нити и величинами первой, второй и третьей крутками;

- разработан технологический режим получения трощено-крученых нитей;

- исследованы геометрические и механических свойства крученых и трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия;

- на основании требований к современному оборудованию для получения трощено-крученых нитей обоснованы направления разработки

технических средств управления и контроля технологического процесса с целью создания на базе экспериментального стенда экспериментального образца устройства для получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия.

Методы и средства исследования. Поставленные задачи решались теоретическими и экспериментальными методами. Экспериментальные исследования проводились на кафедрах МГТУ им. А.Н. Косыгина, лабораториях ФГУП ВИАМ и НЯУ МИФИ. Использовались современные измерительные средства, оптический, цифровой, атомно-силовой и растровый электронный микроскопы, разрывные машины. Применялись методы: проектирования машин и механизмов, испытания текстильных материалов, планирования эксперимента. Использовались положения теории кручения и наматывания нитей, механической технологии волокнистых материалов, текстильного материаловедения. Оценка достоверности полученных результатов осуществлялась методами теории вероятности и математической статистики. Обработка результатов исследования выполнялись на персональном компьютере с использованием стандартных и оригинальных программ.

Научная новизна. При выполнении работы автором впервые разработаны:

- радиальная подача нити в зону кручения;

- технология получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия;

- экспериментальный стенд для реализации процесса получения крученой и трощено-крученой нитей из комплексных нитей оксида алюминия;

теоретическое и экспериментальное обоснование основных технологических параметров и режимов функциональных узлов и устройства получения трощено-крученой нитей из комплексных нитей оксида алюминия в целом;

- методики проведения экспериментов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года»;

- результаты работы соответствуют прогнозируемому научно-техническому уровню установленному ФЦП;

полученная трощено-крученая нить из оксида алюминия конкурентоспособна по отношению к существующим, в том числе зарубежным аналогам;

- отработаны технологические режимы получения трощено-крученой нити из оксида алюминия;

- изготовлена и передана Заказчику - ФГУП ВИАМ экспериментальная партия трощено-крученых нитей из оксида алюминия 300 текс в количестве 500 м;

- полученные нити позволят разработать ассортимент изделий технического назначения с температурой эксплуатации до 1700 °С;

- экспериментальный образец устройства для получения трощено-крученых нитей из оксида алюминия может служить прототипом экспериментального образца установки.

- результаты работы являются основой для создания опытно-промышленной технологии получения трощено-крученой нити линейной трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку:

- на II научно-практической конференции «Нанотехнологии в текстильной промышленности», г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2011г.

- на Международной научно-технической конференции "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" (ТЕКСТИЛЬ-2011), г. Москва, ГОУВПО "МГТУ им. А.Н.Косыгина", 2011 г.;

- на XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов г. Москва, ИМАШ РАН, 2011 г.

- на заседании кафедры прядения 21.03.2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК, 3 методических разработки, 3 тезиса научных конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 243 страницах, состоит из введения, пяти глав с выводами, общих выводов, списка использованной литературы (64 наименования) и 6 приложений. Работа содержит 60 таблица и 97 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы, её научная новизна _ и практическая значимость, цель и задачи исследования.

В первой главе изложены результаты обзора и анализа научно-технической литературы и патентно-технических источников, определено направление работы и обоснованы задачи исследования.

Проведен анализ имеющихся технологий и оборудования для получения крученых и трощено-крученых нитей. Проведен анализ величины натяжения нитей при кручении на оборудовании, работающим по известным технологическим схемам процесса кручения. Показано что, использование этажных, кольцевых и центрифугальных крутильных машин для получения крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия не представляется возможным.

Патентно-технические исследования подтвердили актуальность научных исследований в данной области.

Трощено-крученые нити и изделия технического назначения из оксида алюминия являются перспективным сегментом промышленности и рынка.

В открытом доступе отсутствует описание технологии получения трощено-крученых нитей из тугоплавких волокон.

Свойства комплексных нитей оксида алюминия - низкая прочность на растяжение и небольшое относительное удлинение требуют создания новых технологий и машин для получения трощено-крученых нитей из комплексных нитей оксида алюминия.

Во второй главе проведены исследования некоторых технологических свойств комплексных нитей из оксида алюминия и проведены исследования микроструктуры элементарных нитей и шероховатости поверхности.

Анализ микроструктуры волокна показал наличие «рубашки», толщиной порядка 0,5 мкм и сердцевины с выраженной мозаичной структурой._

а) б)

Рис. 1 Изображение участка волокна оксида алюминия а) увеличение 10000 крат, б) увеличение 20000 крат Параметры шероховатости поверхности элементарной нити составляют: Кг от 5,40 нм до 15,23 нм, от 5,10 до 13,29 нм.

На рис. 2 дано ЗБ-изображение участка элементарной нити оксида алюминия, полученное на атомном силовом микроскопе. На рис.3 представлена гистограмма распределения по диаметру элементарных нитей в комплексной нити.

Из всех физико-механических свойств нитей для экспериментального определения были исследованы следующие: диаметр элементарных нитей, поперечник и извитость нити комплексной нити, линейная плотность и неровнота по линейной плотности, полуцикловые и одноцикловые характеристики определяемые при однократном растяжении до разрыва. Средние значения некоторых исследованных характеристик представлены в табл. 1.

Таблица 1

Технологические свойства Диаметр элементарной нити, мкм Поперечник комплексной нити, мм Удельная разрывная нагрузка, сН/текс Линейная плотность, текс

Величина характеристики 7,5 0,245 3,35 11,8

Кофф. вариации Су, % 19,3 23,03 36,23 23,42

Определена зависимость прочности при растяжении от диаметра элементарных нитей. Исследованы параметры извитости комплексной нити, даны технологические рекомендации о снижении влияния извитости нити при кручении на разрывную нагрузку крученых нитей путем перемотки и выдерживания на паковке в течение 24 часов.

В третьей главе на основе исследованных технологических свойств первичных нитей обоснованы основные технологические параметры, технологические требования и режимы работы устройства для получения крученых и трощено-крученых нитей. __

Разработана технологическая схема кручения с радиальной подачей нити в зону кручения. Экспериментально обоснована величина крутки и натяжения нитей при кручении.

Проведено экспериментальное исследование технологических параметров и режимов работы устройства и экспериментально обоснованы технологические требования к конструкции функциональных узлов и экспериментального стенда в целом.

Зависимость разрывной нагрузки от величины крутки представлена рис. 4. Зависимость разрывной нагрузки от натяжения нити при кручении представлена на рис. 5

0 1-1 I ! I } Г

0 20 40 60 80 100 120 140 Крутка, кр/м

Рисунок 5

В четвертой главе изложены результаты исследований по разработке экспериментальной установки для получения трощено-крученых нитей, устройство и принцип её работы, отработка технологии и оптимизация технологического процесса получения трощено-крученых нитей, исследование свойств трощено-крученых нитей.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 6 1- привод крутильного механизма; 2- шкив привода; 3- ступенчатый шкив крутильной платформы; 4 - крутильная платформа с держателями входных паковок, 5- входная паковка, 6- нить, 7- замасливающее устройство; 8-нитераскладчик; 9-выходная паковка; 10- бобинодержатель выходной паковки; 11 шкив привода; 12-привод механизма намотки.

12 Ю

Рисунок 6

Техническая характеристика экспериментального стенда представлена в табл. 2

Частота вращения крутильной платформы мин"1 40...200

Скорость наматывания выпускной паковки м/мин 1,5..20

Число паковок на крутильной платформе шт. 1....6

Направление крутки нити Биг

Мощность двигателя платформы Квт 0,2

Мощность двигателя узла наматывания Квт од

Габариты: 250

Ширина мм 600

Высота мм 900

Проведена оптимизация технологического процесса получения трощено-крученых нитей. В качестве критерия оптимизации принята разрывная нагрузка нити, определяемая при зажимной длине 500 мм согласно ГОСТ 6611.2. Оптимизация технологии проводилась по основным её составляющим: оптимизации концентрации замасливающей эмульсии, в

нахождении зависимости между разрывной нагрузкой нити и величинами первой, второй и третьей крутки.

В табл. 3 приведена оптимальная концентрация замасливающей эмульсии.

Таблица 3

Процентное Крутка Средняя Среднее Среднее

содержание фактическая, удельная абсолют- относитель-

концентрата кр/м разрывная ное ное

> нагрузка, удлинение, удлинение,

% (масс) сН/текс мм %

8 40,84 16,80 2,702 1,0804

В таблице 4 приведены варьируемые факторы и их уровни.

Таблица 4

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

-1,414 -1 0 +1 +1,414

Первичная крутка двух нитей линейной плотности 10 текс 18,0 22,5 33,5 44,5 48,5 11,0

Вторичная крутка нити 20 текс в пять концов. 18,0 22,5 33,5 44,5 48,5 11,0

Уравнение регрессии в кодированной форме имеет вид: Yr = 8,36 + 0,9х, + 1,16х2 + (-2,924) х,2 + (-0,989) х22.

На основании поученных экспериментальных данных об оптимальных величинах первой, второй и третьей круток, натяжения при кручении, оптимальной концентрации эмульсии на экспериментальном стенде из комплексной нити оксида алюминия получена трощено-крученая нить. Трощение и кручение всех стренг от исходной в 10 текс до результирующей в 300 текс осуществлялось в той последовательности и с крутками, обеспечивающими максимальную разрывную нагрузку трощено-крученой нити. _

На рис. 7 представлена фотография трощено-крученой нити из оксида алюминия линейной плотностью 300 текс. Фотоснимок выполнен цифровой камерой Leica DFS 320 и микроскопа Leica MZ16. Увеличение 14 кратное.

На рис. 8 и рис. 9 представлены микрофотографии ткани и шнура из трощено-крученых нитей оксида алюминия. Фотоснимок выполнен цифровой камерой Leica DFS 320 и микроскопа Leica MZ16. Увеличение 14 кратное. Ткань и шнур изготовлены доцентом кафедры материаловедения Московского государственного текстильного университета им. А.Н Косыгина Демократовой Е.Б.

Рисунок 7

Рисунок 8 Рисунок 9

Технологический режим выработки трощено-крученой нити приведены в I табл. 5.

Проведены эксперименты по получению комбинированной нити, путем упрочнения трощено-крученой нити сопутствующей нитью. Была ^ изготовлена опытная партия комплексной нити, содержащая три нити по 100 текс упрочненные тремя капроновыми нитями линейной плотностью I 29 текс, что обеспечивает получение результирующей нити номинальной линейной плотностью 388,2 текс. Результаты испытаний трощено-крученой нити приведены в табл. 6. Результаты испытаний комбинированной нити приведены в табл. 7.

Полученные результаты показывают, что результирующая нить I линейной плотности 388,2 текс имеет разрывную нагрузку 55,35-74,21 Н, что соответствует требованиям заказчика.

В табл. 8 приведены данные о величине удельной разрывной нагрузки комбинированных трощено-крученые нитях из комплексных нитей оксида алюминия. 1

Таблица 5

Показатели Параметры технологического процесса

Перематывание 1-е кручение 2-е кручение 3-е кручение

Скоростной режим, м/мин 3,4 3,4 7,8 7,8

Расчетная /фактическая крутка, кр/м - 36,0/37,76 33,5/31,79 22,5/24,74

Расчетная/фактическая частота вращения платформы, мин" — 122,4/128 261,3/248 175/193

Направление крутки - S Z S

Линейная плотность перерабатываемой нити, текс 10 10 50 300

Число входных паковок, шт. 1 1 5 6

Число выходных паковок, шт. 1 1 1 1

Трощено-крученая нить Таблица 6 _Комбинированная нить Таблица 7

Дата Значение Разрывная Удельная Дата Значение Разрывная Удельная

проведения испытания нагрузка, разрывная проведения испытания нагрузка. разрывная

испытания Н нарузка, испытания Н нарузка,

сН/текс сН/текс

01.03.2010 Среднее 16,27 5,42 02.03.2011 Среднее 67,88 17,48

Су% 19,38 19,38 Су% 11,78 11,78

20.01.2012 Среднее 38,17 12,72 12.07.2011 Среднее 54,92 14,25

Су% 15,73 15,73 Су% 14,48 14,48

Таблица 8

№ Наименование Упрочняющая Разрывная Линейная Удельная

нити, нить, текс нагрузка, плотность, разрывная

производитель Н текс нагрузка, сН/текс

1. Комбинированная Вискозная, 11

швейная нить ЗМ Company, USA Арамидная, 55 159,22 194,44 81,65

2. Крученая швейная нить ЗМ Company,USA Вискозная, 11 100,00 555,5 18,02

3. Комбинированная МГТУим. А.Н. Косыгина Полиамидная, 88,2 67,88 388,2 17,48

Из данных, представленных в таблицах 6, 7 и 8 видно, что для обеспечения повышения прочности трощено-крученых нитей выбранное верное направление, т.е. для обеспечения требуемого значения разрывной нагрузки необходимым условием является добавление сопутствующих нитей.

В пятой главе изложены результаты исследования и обоснование направлений разработки технических средств автоматизации, управления и контроля технологического процесса, с целью создания экспериментального образца установки.

Разработаны основные технологические параметры экспериментального образца установки. Техническая характеристика экспериментального образца приведена в табл. 9

Таблица 9

Частота вращения крутильной платформы мин*1 40...4000 -

Скорость наматывания выпускной паковки м/мин до" 100

Число паковок на крутильной платформе шт 1....6

Направление крутки нити — S и Z

Регулирование натяжения нити сН 10...100

Датчики обрыва нити - по количеству стренг

Сигнализация об обрыве нити - звуковая

Контроль электризации нити - постоянно

Контроль качества паковки - постоянно

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Комплекс теоретических, экспериментальных, технологических и конструкторских исследований обеспечил разработку технологии и средств ее реализации для получения трощено-крученых нитей из оксида алюминия.

2. Обоснованные принципы технологии получения трощено-крученых нитей определяются следующей последовательностью процессов: замасливание, первое, второе и третье кручение нитей.

3. Разработанная конструкция экспериментального стенда осуществляет радиальную подачу нити в зону кручения с выходной паковки, что обеспечивает низкое натяжение нити при кручении.

4. Теоретически и экспериментально обоснованный оптимальный состав замасливающей эмульсии - 8% -ная эмульсия на основе препарата АВИВ-Б.

5. Теоретически обоснована шероховатость нитепроводящих деталей экспериментального стенда.

6. Разработан экспериментальный стенд, обеспечивающий выполнение процессов получения крученой и трощено-крученой нити из оксида алюминия. На стенде наработано 500 м трощено-крученой нити линейной плотностью 300 текс.

7. Проведенные испытания комбинированной трощено-крученой нити, с сопутствующими упрочняющими нитями, для обеспечения требуемого значения разрывной нагрузки подтвердили предположение о том, что этот способ является основным для повышения разрывной нагрузки.

8. Характеристики механических свойств комбинированной трощено-крученой нити оксид алюминия соответствует Техническому заданию на выполнение научно-исследовательских работы «Отработка технологии изготовления трощено-крученой нити с линейной плотностью не менее 100 текс и 300 текс», а технологические режимы проекту технологической инструкции «Технология получения непрерывных тугоплавких трощено-крученых нитей линейной плотностью 300 текс».

9. Комбинированные трощено-крученые нити из оксида алюминия с сопутствующими нитями из полиамида, суммарной линейной плотностью 388,2 текс имеют удельную разрывную нагрузку на 3% меньше, чем комбинированные нити из материала Ыех1е1 312 с сопутствующими вискозными нитями.

10. Трощено крученые нити, полученные на экспериментальном стенде, могут быть использованы в изделиях технического назначения, работающих при температуре до 1700°С.

11. Результаты работы рекомендуется использовать при проектировании, экспериментального образца установки для получения трощено-крученых нитей из оксида алюминия по технологической схеме с радиальной подачей нити в зону кручения.

Основные результаты работы изложены в следующих убликациях: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации:

1. Медведев A.B., Капитанов А.Ф., Жариков Е.И. Ивахненко Ю.А., Зимичев A.M., Степанова Е.В., Оптимизация круток трощёно-крученых тугоплавких нитей // Химические волокна - 2011 - №6 - С. 49-51.

2. Медведев A.B., Капитанов А.Ф., Курденкова A.B., Щукина E.JL, Петраченкова A.A. О влияния концентрации замасливающей эмульсии на разрывные характеристики кручёных нитей из тугоплавких волокон оксида алюминия. // Химические волокна - 2012 - № 1 - С. 13-15

3. Медведев А.В, Разумеев К.Э. Трощено-крученые нити оксида алюминия для изделий технического назначения.// Швейная промышленность - 2012 -№ 2 с 16-17.

Материалы научно - технических конференций:

4. Медведев A.B., Капитанов А.Ф., Жариков Е.И. Текстильная переработка наноструктурированных оксидных волокон // II- я научно-практическая конференция «Нанотехнологии в текстильной промышленности», г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2011г.

5. Медведев A.B., Капитанов А.Ф., Курочкина Т.А., Зимичев А.М. Исследование влияния скорости растяжения на время до разрыва образцов нитей из тугоплавких волокон оксида алюминия.// Международная научно-техническая конференция "Современные технологии и оборудование текстильной промышленности" (ТЕКСТИЛЬ-2011), г. Москва, ГОУВПО "МГТУ им. А.Н.Косыгина", 2011 г.;

6. Медведев A.B., Разумеев К.Э., Курочкина Т.А., Измайлова H.A. Изучение прочностных свойств нитей из тугоплавких волокон.// XXIII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов г. Москва, ИМАШ РАН, 2011 г.

Прочие публикации:

7. Медведев A.B., Разумеев К.Э., Курденкова A.B., Зимичев A.M. Исследование влияния скорости растяжения на время до разрыва образцов нитей из тугоплавких волокон оксида алюминия// Сборник научных трудов ОАО НПК ЦНИИШерсть. - Одинцово: АНОО ВПО ОГИ, 2011.

8. Медведев A.B., Разумеев К.Э Трощено-крученые нити из тугоплавких волокон - проблемы и решения // Вестник МГТУ 2012, С 3-7.

Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,00 Подписано в печать 17.04.12

Заказ 146 Тираж 80 О ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина» 2012

61 12-5/3151

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕКСТИЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени А.Н. КОСЫГИНА

На правах рукописи

МЕДВЕДЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

4--М

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТРОЩЕНО-КРУЧЕНЫХ НИТЕЙ ИЗ ОКСИДА АЛЛЮМИНИЯ

Специальность 05.19.02

Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор техничес Разумеев Ко

'аук, профессор рт Эдуардович

Ос

Москва-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ОБЪЕКТУ ИССЛЕДОВАНИЯ 12

1.1. Классификация, способы получения и применение

в изделиях технического назначения волокон и нитей из керамических материалов 12

1.1.1. Классификация и способы получения волокон и нитей

из керамических материалов 12

1.1.2. Нити на основе оксида алюминия, производимые зарубежными компаниями 18

1.1.3. Технический уровень объекта исследования 22

1.1.4. Технология производства комплексных нитей из оксида алюминия ФГУП «ВИАМ» 27

1.1.5. Изделия технического назначения из керамических материалов 28

1.1.6. Изделия технического назначения из оксида алюминия 32

1.2. Технология текстильной переработки комплексных

нитей 44

1.2.1. Общая характеристика процесса перемотки, технологические схемы и оборудование 45

1.2.2. Общая характеристика процесса кручения, технологические схемы и оборудование 50

1.2.3. Натяжение нитей на крутильных машинах 63

1.2.4. Экспериментальная проверка возможности осуществления процесса кручения пряжи из волокон

оксида алюминия на существующих крутильных

машинах 66

1.2.5. Оценка возможности использования существующего оборудования для кручения комплексных нитей из

оксида алюминия 68

1.2.6. Общая характеристика процесса трощения и оборудование 69

1.2.7. Натяжение нитей на тростильно-крутильных машинах 74

1.2.8. Общие принципы получения крученых и трощено-крученных нитей из оксида алюминия и задачи исследования 74

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 76

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПЛЕКСНЫХ НИТЕЙ ИЗ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ 77

2.1. Исследование микроструктуры элементарных нитей

оксида алюминия 77

2.2. Исследование шероховатости поверхности элементарных нитей оксида алюминия 81

2.3. Геометрические свойства элементарных и комплексных нитей из оксида алюминия 88

2.3.1. Определение диаметра элементарных нитей 88

2.3.2. Определение поперечника комплексной нити оксида алюминия 91

2.3.3. Извитость комплексных нитей из оксида алюминия 95

2.3.4. Линейная плотность нитей и неровнота по линейной плотности комплексных нитей из оксида алюминия 99

2.4. Экспериментальное изучение характеристик

механических свойств элементарных и комплексных

нитей из оксида алюминия 101

2.4.1. Полуцикловые характеристики, определяемые при однократном растяжение до разрыва элементарных нитей 101

2.4.2. Полуцикловые характеристики, определяемые при однократном растяжение до разрыва комплексных нитей 103

2.4.3. Одноцикловые характеристики при растяжении комплексных нитей 110

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 112

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТРОЩЕНО-КРУЧЕНЫХ НИТЕЙ ИЗ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕЁ РЕАЛИЗАЦИИ 114

3.1. Обоснование основных технологических параметров и режимов устройства для получения крученых

и трощено-крученых нитей 114

3.1.1. Исследование сматывания нитей.

3.1.2. Исследование схемы кручения с осевой подачей нити

в зону кручения 117

3.1.3. Исследование схемы кручения с радиальной подачей

нити в зону кручения 119

3.1.4. Экспериментальное определение критической крутки 120

3.1.5. Экспериментальное определение влияния натяжения

при кручении на разрывную нагрузку крученой нити 122

3.1.6. Склеивание оборвавшейся нити 125

3.2. Обоснование технологических требований

к функциональным узлам устройства для получения трощено-крученых нитей 125

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 131

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА УЗЛОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТРОЩЕНО-КРУЧЕНЫХ НИТЕЙ 132

4.1. Подбор и оптимизация замасливающих составов 132

4.1.1. Подбор замасливающих составов 132

4.1.2. Экспериментальное определение оптимальной концентрации замасливающей эмульсии 135

4.2. Расчет и экспериментальное определения параметров замасливающего диска 141

4.2.1. Расчет геометрических параметров замасливающего

диска 141

4.2.2. Экспериментальное определение оптимальной величины шероховатости замасливающего диска 145

4.2.3. Влияние шероховатости замасливающего диска

на электризацию нитей оксида алюминия 148

4.3. Кинематический расчет функциональных узлов экспериментального стенда 150

4.3.1. Кинематический расчет узла регулирования натяжения

нити 150

4.3.2. Кинематический расчет механизма раскладки 153

4.3.3. Кинематический расчет крутильного механизма 156

4.4. Исследование натяжение нити при кручении

на экспериментальном стенде 157

4.5. Геометрические свойства крученых нитей 164

4.5.1. Диаметр крученой нити 164

4.5.2. Линейная плотность и неровнота по линейной плотности крученых нитей 168

4.6. Принципиальная схема и технические характеристики

экспериментального стенда 174

4.7. Оптимизация технологического процесса получения трощено-крученых нитей 179

4.7.1. Условия и методика проведения эксперимента 179

4.7.2. Критерий, факторы, их уровни и интервалы варьирования план эксперимента. Анализ полученной математической модели 181

4.8. Испытания трощено-крученой нити из оксида алюминия линейной плотностью 300 текс 186

4.8.1. Определение неравновесности 186

4.8.2. Испытание трощено-крученых нитей при однократном растяжение до разрыва 187

4.9. Технологический режим получения трощено-крученых нитей линейной плотностью 300 текс из комплексных

нитей оксида алюминия 189

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 193

ГЛАВА 5. НАПРАВЛЕНИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА 194

5.1. Основные требования к современному оборудованию

для получения трощено-крученых нитей 194

5.2. Обоснование направлений разработки технических средств автоматизации, управления и контроля технологического процесса, с целью создания экспериментального образца 195

5.2.1. Автоматизация регулирования линейной скорости нити 195

5.2.2. Регулирование и контроль электрического заряда нити 196

5.2.3. Обеспечение контроля качества технологического процесса

5.3. Принципиальная схема и состав экспериментального образца

5.4. Техническая характеристика экспериментального образца

199 202

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.

203

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

204

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

205

ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Конкурсная документация по государственному заказу уникальный номер закупки!5/18-СМ-17.04

Лот №4 Требования к техническим характеристикам

научно-исследовательской работы «Разработка

технологии изготовления непрерывных волокон на

основе оксида алюминия (тугоплавкие волокна)

и нитей из них для гибких высокотемпературных

уплотнительных теплоизоляционных материалов»

(шифр «Топаз») 211

2. Техническое задание на выполнение научно-исследовательской работы «Отработка технологии изготовления трощено-крученой нити из тугоплавких непрерывных волокон оксида алюминия линейной плотностью на менее 100 и 300 текс» 223

3. Акт изготовления образцов трощено-крученой нити из тугоплавких волокон линейной плотностью 300 текс

в количестве 50 м для передачи Заказчику (ФГУП «ВИАМ») в рамках проведения НИР щифр

«Топаз-МГТУ» 228

4. Акт изготовления образцов трощено-крученой нити из тугоплавких волокон линейной плотностью 300 текс

в количестве 450 м для передачи Заказчику (ФГУП «ВИАМ») в рамках проведения НИР шифр «Топаз-МГТУ» 229

5. Технологическая инструкция ТИ 1.595-29-184-2010 Получение трощено-крученых нитей с линейной плотностью 200 текс. 230

6. Акт «О внедрении результатов диссертационной работы «Разработка и исследование технологии получения трощено-крученых нитей из оксида алюминия»

Медведева A.B. в учебный процесс. 243

ВВЕДЕНИЕ

Изделия технического назначения из оксида алюминия приобретают большое значение в связи с возрастающими потребностями в теплоизоляционных и конструкционных материалах, способных работать при высоких температурах.

В СССР по Государственным научно-техническим программам «Перспективные материалы» и «Порошковая металлургия и композиционные материалы» в 1980-1990 годах проводились работы по созданию и изучению термостойких волокон оксидов металлов. Определенных успехов в создании и исследованиях нитей из непрерывных тугоплавких волокон добились коллективы «ВИАМа», РХТУ им. Д.И. Менделеева [1], Института общей и неорганической химии АН Белоруссии [2]. Однако промышленное производство не было налажено из-за экономических проблем.

Правительством РФ разработана и принята Федеральная целевая программа, введенная в действие постановлением Правительства Российской Федерации от 11 сентября 2008 года № 658-25 «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года».

Цель работы и задачи исследования - разработка технологии и средств получения из комплексных нитей оксида алюминия линейной плотностью 10 текс трощено-крученых нитей с линейной плотностью 300 текс, для использования в изделиях технического назначения с температурой эксплуатации до 1700 °С.

Для достижения поставленной задачи в работе решаются следующие основные задачи:

- обосновать теоретические, технологические и технические решения вопроса получения трощено-крученых нитей;

- обосновать основные технологические параметры и режимы устройст-

ва для получения трощено-крученых нитей;

- разработать, спроектировать и изготовить экспериментальный стенд для реализации поставленной задачи;

- исследовать работу функциональных узлов экспериментального стенда: регулирования натяжения нити, замасливающего устройства и крутильного механизма;

- провести эксперименты по оптимизации основных элементов технологического процесса: натяжения нити при кручении, концентрации замасливающей эмульсии, величины первой и второй и последующих круток;

- разработать технологический режим получения трощено-крученых нитей;

- исследовать характеристики геометрических и механических свойств трощено-крученых нитей;

- разработать комплекс мер, необходимых для разработки экспериментального образца устройства для получения трощено-крученых нитей.

Данная работа направлена на совершенствование научно-технологического задела по созданию технологии производства трощено-крученых нитей из оксида алюминия для изготовления гибких термостойких уплотнительных теплоизоляционных материалов: оплёток, шнуров и др.

Разрабатываемая технология обеспечит возможность получения изделий технического назначения - теплозащитных материалов в условиях отечественного производства, вне зависимости от импортных поставок. Создание технологии получения трощено-крученых нитей и материалов на их основе является перспективным в изделиях технического назначения энергетической, машиностроительной, химической, нефтехимической отраслей промышленности и др.

Методы и средства исследования. В диссертации использованы теоретические и экспериментальные методы.

В теоретических исследованиях использованы положения общей физики, аналитической и коллоидной химии, методы математической статистики.

В экспериментальных исследованиях использовались современные измерительные средства, оптический, цифровой, атомно-силовой и растровый электронный микроскопы, разрывные машины. Применялись методы: проектирования машин и механизмов, испытания текстильных материалов, планирования эксперимента. Использовались положения теории кручения и наматывания нитей, механической технологии волокнистых материалов, текстильного материаловедения. Оценка достоверности полученных результатов осуществлялась методами теории вероятности и математической статистики. Исследования выполнялись с использованием стандартных и оригинальных программ для ЭВМ.

Научная новизна. При выполнении работы автором впервые разработаны:

- технология получения трощено-крученой нити из оксида алюминия и сопутствующие процессы: радиальная подача нити в зону кручения, обработка текстильно-вспомогательными веществами и наматывание;

- принципиальная схема устройства для реализации процесса получения трощено-крученых нитей;

- теоретическое и экспериментальное обоснование основных технических параметров и режимов работы функциональных узлов и устройства в целом;

- методики проведения экспериментов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года»;

- результаты работы соответствуют прогнозируемому научно-техническому уровню;

- полученная трощено-крученая нить конкурентоспособна по отноше-

нию к существующим, в том числе зарубежным аналогам;

- отработаны технологические режимы получения трощено-крученой нити из оксида алюминия;

- изготовлена экспериментальная партия трощено-крученой нити из оксида алюминия линейной плотностью 300 текс в количестве 500 м;

- полученные нити позволят производить изделия технического назначения с температурой эксплуатации до 1700 °С;

- экспериментальный стенд для получения трощено-крученых нитей из оксида алюминия может служить прототипом экспериментального образца;

- результаты работы являются основой для создания промышленной технологии;

- результаты работы используются в учебном процессе.

Работа выполнена в 2010 - 2012 годах по договору № 09-226-14/4453 «Разработка макета установки и технологии получения трощено-крученой комплексной нити с линейной плотностью 200 текс из первичных нитей оксида алюминия» и договору № 10-255-14/5250-10-11 по теме «Отработка технологии изготовления трощено-крученой нити из тугоплавких непрерывных волокон с линейной плотностью не менее 100 текс и 300 текс» с Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский институт авиационных материалов» в учебно-исследовательском комплексе «Фрикционные процессы в прядении» кафедры прядения федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина».

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ОБЪЕКТУ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель исследования, содержание которого излагается в данной главе, -анализ свойств волокон неорганической природы, оценка возможностей известных способов получения из них трощено-крученых нитей и обоснование задач исследования.

1.1. Классификация, способы получения и применение в изделиях технического назначения волокон и нитей из керамических материалов

1.1.1. Классификация и способы получения волокон и нитей из керамических материалов

Искусственные волокна, к которым относятся в первую очередь волокна на основе карбида кремния, углеродные, борные, оксида алюминия и ряд других, представляют в настоящее время основную область разработок волоконной индустрии.

Современный уровень развития техники позволяет получать волокна из различных веществ и материалов (рис. 1.1) [3] и таким образом обеспечивать необходимый комплекс физико-химических характеристик для каждого конкретного применения. Некоторые типы волокон- полимерные, стеклянные, металлические - уже давно и успешно производятся по отработанным технологиям, являясь достаточно традиционными материалами в своих областях. Другие - такие как углеродные и керамические - представляют особый интерес на современном этапе развития химической технологии, так как их использование позволяет создавать материалы нового поколения - легкие, прочные, износоустойчивые, для применения при повышенных температурах

1 Волокно (мн.ч. волокна) — класс материалов, состоящий из непряденых нитей материала или длинных тонких отрезков нити.[2].

и в агрессивных средах.

На рис. 1.1. представлена классификация промышленно производимых волокон [3].

Рис. 1.1. Классификация промышленно производимых волокон [3]

Керамические волокна - это все неметаллические волокна (оксидные и неоксидные) за исключением волокон, полученных из расплавов стекол. Границу между стеклянными и оксидными керамическими волокнами провести не так просто, так как керамические волокна, полученные по золь-гель технологии, могут быть аморфными, и в этом смысле схожими со стеклянными в�