автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.03, диссертация на тему:Разработка иглопробивного нетканного материала из вискозных волокон оптимальной структуры для аккумуляторных батарей

V* „ #

На правах рукописи УДК 677. 026. 442

КОСТИКОВА АННА НИКОЛАЕВНА

РАЗРАБОТКА ИГЛОПРОБИВНОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ВИСКОЗНЫХ ВОЛОКОН ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Специальность 05.19.03 - Технология текстильных материалов АВТОРЕФЕРАТ

\

диссертации на соискание ученой степени . кандидата технических наук

Москва - 1998

- г -

Работа выполнена в .Московской государственной текстильной академии имени А.Н.Косыгина на кафедре технологии нетканых материалов. .

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Барабанов Геннадий Леонтьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор 4 • Щербаков Виктор Пётрович;

кандидат технических наук, доцент Гудим Светлана Ивановна

Ведущая организация: АО НИИНМ (Научно-исследовательский

институт нетканых материалов), г.Серпухов

Защита состоится "^У" 1998 г. в часов

на заседании диссертационного совета К 053.25.02 в Московской государственной текстильной академии им. А.Н.Косыгина 'по адресу: 117918, Москва, ул. Малая Калужская, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в. библиотеке Московской государственной текстильной академии им. А.Н. Косыгина.

Автореферат разослан

Ученый секретарь . диссертационного совета.

../¿Г" №

1998 Г.

к. т. н., доц. Осьмин Н..

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Производство нетканых текстильных материалов является в настоящее время одной из наиболее интенсивно развивающихся отраслей текстильной промышленности. Этому способствует ряд факторов, важнейшими из которых являются высокая производительность, экономия высококачественного сырья в результате широкого использования отходов производства и вторичного сырья, а также низкая себестоимость нетканых материалов. Большое значение для развития производства нетканых материалов имеет возможность внедрения непрерывных технологических процессов, механизированных и автоматизированных линий.

В настоящее время на предприятиях легкой промышленности установлено различное оборудование для производства нетканых материалов: 71% составляет чесально-вязальное, 16% - нитепрошивное, 1055- иглопробивное, 3% - оборудование для физико-химических способов производства.

Для производства нетканых материалов по физико-механической технологии в отрасли установлено более 1400 агрегатов, включающих в свой состав более 50 типов технологического оборудования, в том числе 12 типов чесальных машин, И типов, преобразователей прочеса, 7 типов иглопробивных машин и т.д. При этом 55% технологического оборудования морально и физически устарело и нуждается в замене.

Создание нового технологического оборудования, модернизация действующего, создание и внедрение эффективных систем автоматического контроля и управления требуют существенного прогресса в изучении процессов формирования нетканых текстильных материалов.

На современном этапе, помимо совершенствования технологических процессов, расширения ассортимента, актуальной задачей является повышение качества иглопробивных нетканых материалов.

Неравномерность нетканых текстильных материалов по поверхностной плотности является существенным фактором, определяющим потребительские качества нетканых материалов и экономические показатели процессов производства, а снижение этой неровноты является одной их основных проблем совершенствования механико-техно-

логических процессов-производства нетканых материалов.

При получении иглопробивного нетканого материала ватка прочеса образует волокнистый холст, который частично снижает неров-ноту за счет сложения слоев ватки-прочеса, но поступая в зону иг-лопрокалывания, иглопробивная машина за счет вытяжки может увеличить эту неровноту. Таким образом, в готовом иглопробивном материале его неровнота может быть больше неровноты волокнистого холста.

Отечественные иглопробивные агрегаты по "своим техническим возможностям обеспечивают неровноту иглопробивного нетканого материала не менее 10%.

Такой уровень неровноты ограничивает возможность использования иглопробивного материала в качестве армирующего элемента в аккумуляторных батареях. Поэтому разработка технологии иглопробивного нетканого материала•оптимальной структуры для аккумуляторных батарей является актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка технологии иглопробивных материалов на • отечественных иглопробивных агрегатах, обеспечивающей снижение неровноты материала до 8%.'

.Для решения поставленной цели проведены исследования в следующих основных направлениях:

- проведен анализ результатов научных исследований в области неровноты текстильных материалов;

- проведен анализ современного иглопробивного оборудования и устройств, предназначенных для получения иглопробивного нетканого материала с минимальной неровнотой;

- обоснованы основные направления исследований с использованием метода системного анализа факторов технологического процесса;

- исследовано влияние предварительного иглопрокалывания волокнистых холстов на неровноту иглопробивных материалов;

- проведены исследования неровноты нетканых иглопробивных материалов, полученных из обычных волокнистых холстов и холстов с, предварительным иглопрокалыванием;

проведена оптимизация технологического процесса получения иглопробивного нетканого материала оптимальной структуры для аккумуляторных батарей;

- разработан технологический регламент на изготовление иг-

л'опробивного нетканого материала оптимальной структуры для аккумуляторных 'батарей на отечественном оборудовании для внедрения полученных результатов в промышленность.

Методика исследования. Анализ современного состояния исследований в области неровноты нетканых текстильных материалов и существующего оборудования для изготовления.иглопробивных материалов с минимальным уровнем неровноты проведен путем изучения научно-технической и патентной литературы отечественных и зарубежных авторов. .

Определение физико-механических свойств иглопробивных нетканых материалов проводилось по стандартным методикам.

Для исследования влияния технологических параметров на не-ровноту иглопробивных нетканых материалов использованы современные методы математического планирования эксперимента. Обработка полученных результатов проведена на IBM РС-АТ 486 ДХ/2.

Научная новизна' заключается:

- в разработке технологии иглопробивного нетканого материала оптимальной структуры с предварительным уплотнением холста в одной технологической линии;

- в использовании метода системного анализа факторов технологического процесса;

- в получении математической зависимости, характеризующей• влияние технологических параметров на неровноту иглопробивного нетканого материала;

- в определении оптимальных параметров выработки иглопробивного нетканого материала оптимальной структуры для аккумуляторных батарей.

Практическая ценность. Разработана технология иглопробивного материала оптимальной структуры повышенного качества' для аккумуляторных батарей.

Работа выполнена по хоздоговору с ОАО "Сатурн" г.Краснодар в соответствии с Постановлением СМ СССР от 21.06.88 г. N 767-188.

Работа участвовала в конкурсе грантов в 1997 г. и по результатам работы был получен грант (г/б N 97-635-10) "Разработка технологии иглопробивного материала из вискозных волокон оптимальной структуры для аккумуляторных батарей".

Разработан технологический регламент на выпуск иглопробивного нетканого материала оптимальной структуры и выработана опытная

партия для ОАО "Сатурн".

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось

на:

- научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТА им. А. Н. Косыгина, февраль 1996 г.; '

- научной конференции.профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТА им.А.Н.Косыгина, февраль 1997 г.;

Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии текстильной промышленности", ноябрь 1998 г. ;

- расширенном заседании кафедры технологии нетканых материалов МГТА им. А. Н.-Косыгина, ноябрь 1997 г.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, ' основных выводов по работе, изложенных на 184 страницах машинописного текста; содержит 61 рисунок, 26 таблиц, список литературы из 97 наименований и 11 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование выбора темы диссертационной работы, излагается научная новизна и практическая ценность-работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены общие вопросы, связанные с неров-нотой текстильных материалов, проведен анализ современного оборудования и устройств, применяемых в иглопробивной технологии для получения иглопробивного ' материала с минимальной неровнотой, а также проведен анализ результатов научно-исследовательских работ в области неровноты текстильных материалов.

Подробный анализ литературных источников позволил сделать вывод, что снижение неровноты иглопробивного нетканого материала возможно за счет упрочнения волокнистого холста. Известно, что' волокнистый холст с преимущественным поперечным расположением волокон (самое распространенное в иглопробивной технологии) является наименее прочным. В зоне прокалывания иглопробивной машины

холст подвергается вытяжке за счет сил' трения между холстом и рабочими столами машины и, таким образом, неровнота волокнистого холста после иглопрокалывания в готовом .материале возрастает.

. В результате проведенного анализа установлено, что уплотнение, и как следствие, упрочнение волокнистых холстов позволяет получать иглопробивные материалы с низким показателем неравномерности. Уплотненный волокнистый ■ холст в процессе движения через иглопробивную машину вытягивается значительно меньше, за счет чего и происходит снижение неровноты иглопробивного материала.

'Следует отметить, что за рубежом для получения иглопробивных полотен с минимальной неровнотой широко используются различные уплотняющие устройства и механизмы, но, как показал анализ, для уплотнения и придания. прочности иглопробивному материалу можно использовать предварительное иглопрокалывание.

Анализ современного оборудования для предварительного и основного иглопрокалывания позволил сделать вывод, что для производства иглопробивных материалов оптимальной структуры можно использовать существующее отечественное оборудование, в частности, для предварительного иглопрокалывания: машины ИП-251 и ИМ-1800М, а для основного иглопрокалывания- - соответственно ИМД-1800 и ИМ-1800 М.

Анализ результатов научно-исследовательских работ в области изучения неровноты текстильных материалов позволил выбрать метод исследования неровноты и основные статистические характеристики случайного поля неровноты иглопробивного нетканого материала.

Во второй главе изложено методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований, предложена технологическая цепочка оборудования, которая позволяет получать иглопробивной материал оптимальной структуры, обоснован выбор вискозного волокна.

Для оценки физико-механических свойств иглопробивных нетканых полотен испытания проводились в соответствии со стандартными методиками. Основными свойствами являлись:

- неровнота, %;

- толщина, мм;

- поверхностная плотность, г/мг; •- объемная плотность, г/см3.

На стадии предварительного изучения объекта исследований проводилось априорное ранжирование факторов, целью которого являлось выявление факторов, оказывающих наибольшее влияние на не-ровноту иглопробивного материала. По результатам психологического эксперимента для дальнейших исследований выбраны 3 фактора: число слоев на отводящей решетке преобразователя прочеса, вытяжка в зоне прокалывания, плотность прокалывания.

Исследование зависимости, неровноты иглопробивного нетканого материала от технологических параметров его изготовления проводилось с использованием метода математического планирования эксперимента по плану В-3. Этот метод математического планирования эксперимента позволяет получить математические модели исследуемого процесса в реализованном диапазоне изменения факторов,■ влияющих' на процесс, наиболее экономичным .и эффективным способом.

В третьей главе проведены исследования степени влияния этапа предварительного игдопрокалывания на неровноту иглопробивного материала.

С целью обоснования необходимости этапа предварительного иг-лопрокалывания для получения материала с минимальным уровнем неровноты был проведен системный анализ факторов технологического процесса, который основан на анализе размерностей при оценке факторов и показателей технологического процесса.

Такой подход ■ позволяет оценивать системную полноту наборов факторов и показателей технологического процесса и целенаправленно формировать обобщенные (безразмерные) факторы и-показатели. -

Обобщенные факторы Г1, и обобщенные показатели Пу1 определяются по формулам:

где X}.....хк - исходные факторы с независимыми размерностями, а показатели степеней и Ьц.-.Ьи! находятся при решении соответствующих систем линейных уравнений.

а13 ак 3

= •...• Хк ), а= к+1. ... . п

(1)

Ьц Ьк1

пу1 - У! / (Хх ■... • Хк ■), 1= 1.....Ш ,

(2)

На основе полученных обобщенных факторов и показателей можно формулировать условия подобия двух процессов (подобными процессами будем называть процессы, для которых соответствующие обобщенные факторы и показатели численно равны). В общем случае это соответствие является основой для моделирования процессов, адекватность которых должна проверяться путем привлечения соответствующих экспериментальных результатов.

При проведении системной оценки факторов технологического процесса получения иглопробивного нетканого материала были выделены факторы, влияющие на неровноту (у) иглопробивного материала:

Х| - число слоев на отводящей решетке преобразователя прочеса;

хг - вытяжка в зоне прокалывания; х3 - плотность прокалывания, см"2; х4 - скорость выпуска ватки-прочеса, м/мин; х5 - частота прокалывания, мин"1.

Факторы X! * х5 образуют полный набор с точки зрения системной оценки на основе анализа размерностей, поэтому были составлены обобщенные факторы для этого случая:

Г

П = у - неровнота; П4 = X! - число слоев; П2 = хг - вытяжка в зоне прокалывания;

/х3 • х4

П3 = -- обобщенный фактор "чесание-прокалывание"

хэ ■

К перечисленным факторам х1 ■*■ х5 были добавлены дополнительные факторы предварительного иглопрокалывания:

х6 - вытяжка на предварительном иглопрокалывании; х7 - плотность предварительного иглопрокалывания, см"2; х8 - частота предварительного иглопрокалывания, мин"1. Получили дополнительно обобщенные факторы: П4 = х6/х2 -/'обобщенная" вытяжка; П5 = х7/х3 - "обобщенная" плотность прокалывания; П6 = х8/х5 - "обобщенная" частота прокалывания.

V

Для выявления существенности оценок факторов П4 * Л6 была построена линейная модель, в которой оценивалась значимость соответствующих коэффициентов модели.

В результате было получено уравнение регрессии для оценки неровноты:

у = 6,87 - 1,62 -Щ - 0,86 П2 + 0,07 П3 -

- 11,36 П4 + 7,09 П5 + 5,40 П6 (3)

В данном уравнении коэффициенты при П4, П5, П6 значимо отличаются от'0 с 95% доверительной вероятностью, что говорит о существенном влиянии этапа предварительного иглопрокалывания на неровноту нетканого иглопробивного материала.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований неровноты иглопробивных материалов, полученных из обычных волокнистых холстов и предварительно уплотненных'' холстов при прочих равных условиях.

Исследование неровноты иглопробивных материалов проводилось с использованием методов теории случайных функций - корреляционного анализа и метода градиента неровноты.

В ходе корреляционного'анализа .установлено следующее:- изменение массы единичных квадратов иглопробивного материала характеризуется нормальной (гауссовской) случайной функцией; коррелог-раммы всех исследуемых образцов иглопробивных материалов относятся к одному семейству -кривых и носят колебательно-затухающий характер.

В результате исследования характера изменения массы единичных квадратов с применением градиента неровноты установлены закономерности в изменении квадратической неровноты в зависимости от величины отрезка по длине и ширине материала. Характер изменения массы единичных квадратов исследовался с помощью.градиента внешней неровноты, который рассчитывался для отрезков 0,1; 0,2; 0,5; 1,5 м по длине и ширине материала.

Графическое изображение градиентов неровноты показало, -что характер изменения квадратической неровноты по массе отрезков в зависимости от величины отрезка по длине и ширине исследуемых образцов одинаков. С увеличением размера образца квадратическая не-

ровнота уменьшается у всех исследуемых иглопробивных материалов. Наибольшее снижение квадратической нер.овноты происходит при увеличении .длины отрезка в два раза.

В результате -сравнительного анализа неровноты исследуемых иглопробивных материалов установлено, что коэффициент вариации по . поверхностной плотности у иглопробивных материалов, полученных из обычных волокнистых холстов выше, чем у аналогичных, но полученных из уплотненных холстов, а применение предварительного иглоп-рокалывания приводит к снижению неровноты в среднем на 24%.

В пятой главе проведены исследования по оптимизации технологического процесса изготовления иглопробивного нетканого материала оптимальной структуры из предварительно уплотненных волокнистых холстов и разработана техническая документация на выпуск иглопробивного материала оптимальной структуры для аккумуляторных батарей.

В результате проведенных исследований было установлено, что для получения иглопробивного нетканого материала _ оптимальной структуры необходимо использовать предварительное уцлотнение волокнистого холста. Поэтому при определении оптимального техноло- ^ гического режима иглопрокалывания на адашине ИМ-1800 M была исследована неровнота иглопробивных материалов, выработанных из предварительно уплотненных волокнистых холстов.

В результате'обработки экспериментальных данных была получена математическая зависимость (4) и построен график, отражающие зависимость коэффициента вариации по поверхностной плотности от числа слоев на отводящей решетке преобразователя прочеса, вытяжки ' в зоне прокалывания и плотности прокалывания.

У = 4,949 - О, 926 X! +. О, 050 Х2 - 0,201 Х3 -

- 0,171 X, Х2 - 0,489 Xt Х3 - 0,579 Х2 Х3" - (4)

- 0,548 x¡2 + 0,762 Xg2 + 1, 307 x32 ,

где у - коэффициент вариации по поверхностной- плотности;

X!- число слоев на отводящей решетке преобразователя прочеса;

хг- вытяжка в зоне 'прокалывания;

х3- плотность прокалывания.

Исходя из требований, предъявляемых к иглопробивным нетканым материалам технического назначения и основываясь на проведенные исследования, определены оптимальные технологические параметры получения иглопробивного нетканого материала оптимальной структуры для аккумуляторных батарей:

- число слоев на отводящей решетке преобразователя прочеса - 14;

- вытяжка в зоне прокалывания - 1,15; .

- плотность прокалывания - 90 см"2.

Для практической реализации полученных результатов был разработан технологический регламент"на выпуск иглопробивного нетканого материала оптимальной структуры для аккумуляторных батарей.

Технологический процесс производства иглопробивного материала оптимальной структуры для аккумуляторных батарей включает следующие операции:

- формирование волокнистого холста;

- предварительное иглопрокалывание;

- основное иглопрокалывание^

Разработанная программа заправочного расчета иглопробивного агрегата АИН-1800 на выпуск иглопробивного нетканого материала оптимальной структуры позволяет по заданным значениям поверхностной плотности материала и плотности прокалывания определить скорости и загрузки рабочих органов машин, входящих в агрегат. ,

В соответствии с разработанным регламентом выработана опытная партия, материала для ОАО "Сатурн" в количестве 300 кг и передана заказчику.

. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана технология иглопробивных нетканых материалов из вискозных волокон оптимальной структуры для аккумуляторных батарей, обеспечивающая снижение неровноты материала на отечественном оборудовании.

2. В результате анализа результатов научных исследований в данной области выбраны основные направления исследований и методика их проведения. Показана целесообразность использования предварительного иглопрокалывания для снижения неровноты иглопробивных материалов.

3. На стадии предварительного эксперимента проведено априорное ранжирование факторов с целью определения наиболее значимых с учетом степени их влияния на неровноту иглопробивного материала. По результатам психологического эксперимента были' определены 3 фактора, наиболее значимых: число слоев на отводящей решетке преобразователя прочеса; вытяжка в зоне прокалывания; плотность прокалывания

4. Проведена системная оценка факторов технологического процесса получения иглопробивных нетканых материалов с минимальной неровнотой на основании разработанной математической модели, позволяющей оценивать системную полноту исходных факторов.

5. Обоснована необходимость этапа предварительного иглопро-калывания и получено уравнение регрессии для оценок неровноты с использованием созданных обобщенных факторов основного и предварительного иглопрокалывания.

6. В результате проведенного корреляционного анализа установлено: неровнота по массе единичных квадратов иглопробивного нетканого материала характеризуется нормальной (гауссовской) случайной функцией.

7. Установлены закономерности изменения квадратической неровноты массы нетканых иглопробивных'материалов, полученных из обычных волокнистых холстов и холстов, предварительно уплотненных с применением градиента неровноты в зависимости от величины отрезка по длине и ширине материала.

■ 8. Сравнительный анализ неровноты иглопробивных нетканых материалов, полученных с использованием предварительного иглопрокалывания и без него, показал, что неровнота иглопробивного материала, полученного из волокнистого холста с предварительным иглоп-рокалыванием в среднем меньше на 24%.

9.. Получено уравнение регрессии, описывающее зависимость коэффициента вариации по поверхностной плотности иглопробивного материала, полученного с использованием предварительного иглопрокалывания от числа слоев на отводящей решетке преобразователя прочеса, вытяжки в зоне прокалывания и плотности прокалывания.

10. Проведена оптимизация технологического процесса изготовления иглопробивного нетканого материала•оптимальной структуры'из предварительно уплотненных волокнистых холстов. Определены оптимальные технологические параметры:

- число слоев на отводящей решетке ■' преобразователя прочеса

- вытяжка в зоуе прокалывания

- плотность прокалывания

И. Для внедрения результатов работы в промышленность разработан технологический регламент производства иглопробивного нетканого материала оптимальной структуры. На основании разработанного регламента-выработана опытная партия для ОАО "Сатурн" в количестве 300 кг.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Барабанов Г.Л., Сазонов И.В., Костикова А.Н. Влияние обрывности волокон на процесс образования иглопробивных нетканых материалов.- Известия вузов. Технология текстильной промышленности, N 1, 1997 г.

2. Костикова А. Н., Барабанов Г.Л., Облетников М.В. Анализ неровноты иглопробивных нетканых материалов в процессе иглопрока-лывания. - Известия вузов. Технология текстильной промышленности, К 5, 1997 г.

- 3. Костикова А. Н., Барабанов Г.Л. Влияние предварительного прокалывания волокнистых холстов на неровноту иглопробивных материалов,- Деп.:в ЦНИИТЭИлегпром. - 09.12.97 N 3760 - ЛП.

4. Костикова А.Н., Барабанов Г.Л. Влияние предварительного иглопрокалывания на неровноту иглопробивных материалов. - Всероссийская научно-техническая конференция, М.: МГТА, 25-26 ноября 1997 г. /тез. докл./.

5. Барабанов Г.Л., Костикова А.Н. Пути снижения неровноты нетканого иглопробивного материала. - Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТА, М.: МГТА, 5-6 февраля 1996 г. /тез. докл./.

6. Барабанов'Г.Л., Костикова А.Н. Влияние предварительного прокалывания на неровноту иглопробивного материала. - Материалы научной конференции профессорско-преподавательского.состава, на-

- 14;

- 1,15;

- 90 см"2.

учных сотрудников и аспирантов МГТА, М.: МГТА, 3-4 февраля 1997 г. /тез. докл. /.

7. Костикова А.Н., Данилов В.И., Львов Р.В., Барабанов Г.Л. Влияние предварительного иглопрокалывания волокнистых холстов на неровноту иглопробивных материалов,- Сборник научных трудов, выполненных по итогам конкурса грантов молодых ученых.- м.: МГТА, 1988 г. ■ •

ЛР N020753 ОТ 04.03.93

Подписано в печать 08.04.98 Сдано в производство 08.04.98 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ.

Усл. п. л. 1,0 Уч. изд. л. 0,75 Заказ 89 ■ Тираж 80

Электронный набор МГТА, 117918, Москва, Малая Калужская, 1