автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей после воздействия светопогоды

На правах рукописи

НИКИТИНА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПАРААРАМИДНЫХ НИТЕЙ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТОПОГОДЫ

Специальность 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ¿012

Москва - 2012

005019010

На правах рукописи

НИКИТИНА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПАРААРАМИДНЫХ НИТЕЙ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТОПОГОДЫ

Специальность 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина» на кафедре текстильного материаловедения.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шустов Юрий Степанович

Официальные оппоненты доктор химических наук, профессор

Шаблыгин Марат Васильевич федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина» профессор кафедры физики

кандидат технических наук Бова Валентин Григорьевич ООО Научно-производственное предприятие «Термостойкий текстиль» заведующий сектором технических тканей

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет туризма и сервиса»

Защита диссертации состоится «о» _2012 года в Ю часов

на заседании диссертационного совета Д 212.139.02 при Московском государственном текстильном университете им. А.Н. -Косыгина по адресу: 119071, Москва, Малая Калужская ул., д. 1.

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

Автореферат разослан «_ ЛО » йиЛЫлР 2012 года

р

Ученый секретарь //

диссертационного совета Л'

доктор технических наук, профессор /'/ь//' Шустов Юрий Степанович

АННОТАЦИЯ

В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований механических свойств параарамидных нитей отечественного и зарубежного производства.

Проведено исследование влияния скорости растяжения на разрывные характеристики одиночной нити, при разрыве нитей петлей и в узле. Определены основные механические свойства параарамидных нитей в сухом и мокром состоянии, выносливость нитей при самоистирании и при многократном изгибе. Проведено исследование влияния способа технологической обработки на механические свойства и устойчивость к воздействию светопогоды нитей Русар. Также в работе проведено исследование влияния длительного воздействия естественной и искусственной светопогоды на механические свойства параарамидных нитей и получены функциональные зависимости изменения разрывных характеристик.

Проведено сравнение воздействия естественной и искусственной светопогоды на разрывную нагрузку нитей Русар, рассчитаны поправочные коэффициенты между различными видами инсоляции, позволяющие рассчитать время инсоляции в естественных климатических условиях, используя время лабораторных испытаний на различных приборах.

В работе предложен метод комплексной оценки механических свойств параарамидных нитей с учетом длительности инсоляции. Разработан метод прогнозирования механических свойств параарамидных нитей Русар в зависимости от длительности воздействия естественной и искусственной светопогоды и структурных характеристик образцов с использованием методов теории подобия и анализа размерностей.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по контролю качества параарамидных нитей.

2. Практические результаты исследования по определению воздействия естественной и искусственной светопогоды с различными источниками излучения на параарамидные нити.

3. Метод прогнозирования механических свойств параарамидных нитей Русар в зависимости от длительности воздействия естественной и искусственной светопогоды и структурных характеристик образцов.

4. Целесообразность применения комплексного метода оценки качества параарамидных нитей.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Актуальность работы обусловлена широким применением параарамидных нитей для изготовления высокопрочных канатов, жгутов, лент и тканей. При эксплуатации изделия из параарамидных нитей испытывают воздействие внешней среды, в том числе влажности, температуры, облучения, что снижает их эксплуатационную надежность. Изделия должны противостоять дли-

тельному воздействию неблагоприятных факторов с максимально возможным сохранением исходных механических свойств. Поэтому, изучение и прогнозирование механических свойств после воздействия светопогоды является актуальной задачей при исследовании параарамидных нитей.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей после воздействия естественной и искусственной светопогоды.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

- исследование механических свойств параарамидных нитей в сухом и мокром состоянии;

- исследование влияния длительного воздействия естественной и искусственной светопогоды на механические свойства параарамидных нитей;

- выявление соответствия времени воздействия естественных климатических условий и искусственной светопогоды на механические свойства параарамидных нитей;

- проведение комплексной оценки механических свойств нитей с учетом длительности воздействия светопогоды;

- разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей в зависимости от длительности воздействия светопогоды и структурных характеристик образцов.

Методы исследования

В качестве теоретической основы в исследованиях использовалась теория подобия и анализа размерностей, а также численные методы прикладной математики и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартизованных методов в лабораторных условиях. Построение функциональных зависимостей осуществлялось методами корреляционно-регрессионного анализа на ЭВМ с помощью программ Microsoft Excel и MathCAD. Для обработки графических изображений применялась программа Photoshop.

Научная новизна работы

При проведении теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

- получены функциональные зависимости между механическими свойствами параарамидных нитей и длительностью воздействия естественной и искусственной светопогоды с различными источниками излучения; ,

- установлено соответствие времени воздействия естественной и искусственной светопогоды на параарамидные нити;

- предложен метод комплексной оценки механических свойств параарамидных нитей с учетом длительности воздействия светопогоды;

- разработан метод прогнозирования разрывной нагрузки параарамидных нитей с использованием теории подобия и анализа размерностей в зависимости от длительности воздействия светопогоды и от структурных характеристик нитей.

Практическая значимость работы заключается: -в оценке механических свойств параарамидных нитей российского и зарубежного производства;

- в получении аналитических зависимостей механических свойств параарамидных нитей от длительности воздействия естественной и искусственной светопогоды;

-в выявлении соответствия времени воздействия искусственной и естественной светопогоды на параарамидные нити;

-в получении математических моделей, позволяющих прогнозировать разрывную нагрузку параарамидных нитей Русар в зависимости от длительности воздействия светопогоды.

Результаты исследований могут быть использованы на текстильных предприятиях при проектировании параарамидных нитей, что позволит снизить потери при разработке нового ассортимента изделий.

Апробация работы

Основные результаты научных исследований докладывались и получили положительную оценку на:

1. Пятой Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI», МГТУ, 2006;

2. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2007)», 2007, ИГТА, Иваново;

3. Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС - 2008)»;

4. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК-2008)»;

5. 63-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» посвященной 50-летию полета Ю.А.Гагарина в космос 18-22 апреля 2011 года, Кострома;

6. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК -2011) 2011, Иваново;

7. Заседании кафедры текстильного материаловедения МГТУ имени А.Н. Косыгина.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа выполнена на 200 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 41 таблицу, список литературы включает 91 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе дан анализ работ по исследованию механических свойств параарамидных нитей и влияния различных факторов износа на них.

Параарамидные нити обладают уникальными свойствами: высокой прочностью при растяжении, высоким модулем упругости, низким разрывным удлинением, устойчивостью к действиям химических реагентов, хорошей совместимостью со связующими различных классов. Но при хранении и эксплуатации изделий из параарамидных нитей под воздействием различных факторов их высокие прочностные характеристики снижаются.

В результате воздействия солнечных лучей в волокнообразующих полимерах происходят сложные фотохимические процессы, следствием которых является разрушение нити. Разрушительное воздействие солнечного света усиливается при повышении влажности и температуры окружающей среды. Анализ литературы показал необходимость исследования влияния свето-погоды на параарамидные нити.

Во второй главе представлена характеристика объектов, приведены результаты исследования основных механических свойств параарамидных нитей. В качестве объектов исследования были выбраны параарамидные нити, отечественного и зарубежного производства. Нити Русар были выбраны различных модификаций. Термические обработки свежесформованных нитей позволяют регулировать свойства нитей. При этом происходит их самопроизвольное ориентирование, сопровождающееся небольшим удлинением даже без приложения внешней нагрузки. Для повышения модуля упругости применяется незначительное термическое вытягивание.

Основные свойства исследуемых образцов приведены в табл. 1. Для оценки влияния скорости растяжения на разрывные характеристики нитей использовалась универсальная испытательная система «Инстрон» серии 4411. Скорость варьировалась в интервалах от 100 до 500 мм/мин. При исследовании влияния скорости движения зажима на разрывную нагрузку при растяжении и при разрыве петлей и в узле установлено, что прочность нитей возрастает с увеличением скорости растяжения по линейному закону (рис. 1).

Таблица. 1. — Характеристика исследуемых параарамидных нитей

Нить Линейная плотность, текс Число элементарных нитей Диаметр элементарных нитей, мкм Крутка, кр/м Относительная разрывная нагрузка, сН/текс Относительное разрывное удлинение, %

1 2 3 4 5 6 1

Свежесформован-ная нить Русар (№1) 62,6 300 12 50 79 4,2

Гермообработанная нить Русар (№2) 62,5 300 12 50 238 3,5

Продолжение табл. 1.

1 2 3 4 5 6 7

Гермовытянутая нить Русар (№3) 61,9 300 12 50 229 4,2

Нить Русар с повышенными физико-механическими свойствами (№4) 62,6 300 12 50 259 3,3

СВМ 56,3 300 12 100 187 3,6

Гварон1000 105,3 860 12 - 109 6,5

Гварон 2000 97,4 860 12 - 115 10,8

Гварон 2040 100,8 1000 12 - 110 4,9

Гварон 2200 115,2 1000 12 - 120 5,8

Технора 200 100,8 460 14 - 121 8,2

Герлон СБ 56,0 300 12 100 115 2,3

Кевлар 120,1 670 12 - 120 7,3

Наибольшей прочностью при разрыве нитей петлей обладают более жесткие нити Русар и СВМ, а при разрыве в узле, напротив, более гибкие нити Тварон и Кевлар.

К К 16500 ■ & *

л '§ 14000 :

1|а 11500 : ® § <■> 9000

га щ

Й § а «

Л о> * §

о.

100 200 300 400 500 Скорость растяжения, мм/мин

100 200 300 400 500 Скорость растяжения, мм/мин

► Русар № 1 ■ Русар № 2 а Русар № 3

> Русар № 4 * СВМ

а б

Рис. 1. - Зависимость разрывной нагрузки нитей Русар и СВМ при растяжении одиночной нити (а) и при разрыве петлей (б) от скорости

растяжения

В главе представлены данные по разрыву нитей Русар в сухом и мокром состояниях, а также диаграммы растяжения нитей. Результаты исследований показали, что намокание нитей по-разному влияет на их удлинение, а прочность при разрыве всех нитей снижается.

Также приведены результаты определения выносливости параарамид-ных нитей при многократном изгибе и их долговечность при самоистирании.

Третья глава посвящена рассмотрению изменения механических свойств параарамидных нитей после воздействия светопогоды. Стойкость к воздействию светопогоды определялась в естественных климатических условиях, при которых факторы старения зависят от метеорологических условий (естественная инсоляция), и в искусственных, лабораторных условиях, которые создаются на аппаратах искусственной погоды.

Испытания в естественных условиях параарамидных нитей Русар проводились в течение 6 месяцев в весенне-летне-осенний период на северо-западе Московской области. Результаты представлены в табл. 2 и на рис. 2.

Таблица 2. — Разрывные характеристики нитей Русар после воздействия естественной светопогоды

Период № нити

воздей- Относительная разрывная Относительное

ствия, нагрузка сН/текс разрывное удлинение, %

мес. №1 №2 №3 №4 №1 №2 №3 №4

Исх. 79 238 229 259 4,2 3,5 4,2 3,3

1 44 168 190 223 3,0 2,7 3,0 3,0

2 37 118 177 172 1,8 2,0 2,5 2,7

3 19 85 131 144 1,2 1,6 2,1 2,5

4 20 67 126 135 1,1 1,3 1,9 2,2

5 15 42 93 128 0,8 1,0 1,4 1,9

6 14 40 61 111 0,7 0,8 1,0 1,5

♦ Русар №1 "Русар №2 * Русар №3 «Русар №4

а б

Рис. 2. - Зависимость относительной разрывной нагрузки (а) и относительного разрывного удлинения (б) нитей Русар от длительности естественной инсоляции

Наибольшая потеря прочности у всех образцов нитей Русар происходит за первый месяц экспонирования. Зависимость относительных разрыв-

ных характеристик нитей Русар от длительности инсоляции определяется экспоненциальной функцией.

После 6 месяцев экспонирования в естественных условиях нити Русар сохраняют в среднем около 26% прочности и 27% разрывного удлинения.

На рис. 3 представлены диаграммы нагрузка - удлинение при разрыве параарамидных нитей Русар после инсоляции в естественных условиях.

5000 Н

4000

3000 -

й 2000 -

Он

юоо

15000 -

12500 -

£ 10000

Л &

и и

7500

04

5000

2500

0 5 10 15 20 0 5 10 15

Разрывное удлинение, мм Разрывное удлинение, мм

а - исх., б - 1 мес., в - 2 мес., г - 3 мес., д - 4 мес., е - 5 мес., ж - 6 мес.

а б

Рис. 3. - Кривые растяжения свежесформованной нити Русар (а) и нити Русар с повышенными физико-механическими свойствами (б) в зависимости от длительности естественной инсоляции

Влияние светопогоды приводит к снижению наклона диаграмм растяжения свежесформованных нитей Русар в их начальной части и течка разрыва смещается в сторону начала координат. Для нитей Русар, прошедших дополнительную термообработку и термовытяжку, наклон диаграмм практически не меняется и эти нити сохраняют около 60% от первоначальной прочности.

Главным недостатком определения устойчивости изделий к действию светопогоды в естественных условиях является большая продолжительность испытаний, поэтому также проведены испытания в искусственных, лабораторных условиях.

Воздействие искусственной светопогоды осуществлялось на приборах дневного света (ПДС) и Ксенотесте. Главное отличие приборов в типе источника искусственного света: люминесцентные и ксеноновые лампы. Ксеноно-вые лампы сверхвысокого давления имитируют в лабораторных условиях сплошной спектр излучения, близкий к спектру солнечного света в УФ и ви-

димой области спектра. Максимальная длительность воздействия на приб| pax составила 24 часа. После каждого цикла воздействия осуществлялось и мерение разрывных характеристик исследуемых образцов. После воздейс вия светопогоды на приборе ПДС все рассмотренные нити Тварон, Технора Кевлар сохранили до 80% первоначальной прочности. Менее светостойкг нить СВМ. Из нитей Русар термовытянутая нить (Русар №3) имеет наимен шее снижение разрывной нагрузки после 24 часов инсоляции - 68%, а ра рывного удлинения - 51%. Также получены функциональные зависимое! прочности от длительности действия естественной и искусственной светот годы на приборах ПДС и Ксенотест. Изменение прочностных характерней всех нитей в зависимости от длительности инсоляции описывается ОДНОТИ] ными экспоненциальными уравнениями, которые позволяют прогнозироват изменение механических свойств в заданном промежутке времени.

Определена взаимосвязь между длительностью инсоляции в естестве1 ных климатических условиях и длительностью испытаний на приборах hi кусственной светопогоды (рис. 4), рассчитаны поправочные коэффициент между различными видами воздействия светопогоды, позволяющие рассч] тать время инсоляции в естественных условиях, используя время испытани на приборах ПДС и Ксенотест.

Рис. 4. — Сравнение степени воздействия естественной и искусственной светопогоды на нить Русар с повышенными физико-механическими свойствами

Воздействие светопогоды на приборе ПДС оказывает менее разр) тающее воздействие на параарамидные нити, в то время как облучение н приборе Ксенотест происходит более ускоренно. Установлено, что 24 чэ'

воздействия светопогоды на приборе Ксенотест на параарамидные нити Ру-сар приблизительно соответствуют 6 месяцам естественной инсоляции.

В четвертой главе предложен метод комплексной оценки механических свойств параарамидных нитей после воздействия различных видов светопогоды.

Для проведения комплексной оценки показатели качества были переведены в относительные. Так как механические свойства являются позитивными показателями качества, то относительные показатели качества рассчитывались по формуле:

5 > (1)

где X,- и - значения г-го показателя качества соответственно фактического и базового.

За базовые значения принимались исходные значения показателей качества, полученные до воздействия светопогоды на параарамидные нити.

На рис. 5. приведена комплексная оценка параарамидных нитей Русар в зависимости от длительности воздействия естественной светопогоды.

исх 1 мес 2 мес 3 мес 4 мес 5 мес 6 мес Длительность воздействия светопогоды, мес.

В Русар №1 В Русар №2 В Русар №3 0 Русар №4

Рис. 5. - Комплексная оценка нитей Русар в зависимости от длительности воздействия естественной светопогоды

После полного цикла естественной инсоляции установлено, что наилучшими результатами обладает нить Русар с повышенными физико-механическими свойствами. Худшими свойствами обладает свежесформо-ванная нить Русар.

В работе аналогичным способом рассчитана комплексная оценка механических свойств параарамидных нитей после воздействия искусственной светопогоды на приборах ПДС и Ксенотест.

По результатам комплексной оценки параарамидных нитей Русар ра личных способов обработки термовытянутая нить и нить Русар с повыше ными физико-механическими свойствами являются лучшими по механически свойствам после воздействия естественной и искусственной светопогоды.

Пятая глава посвящена разработке метода прогнозирования механ ческих свойств параарамидных нитей после воздействия различных вид< источников облучения.

Для получения математической модели для прогнозирования разры ной нагрузки нитей использовались методы теории подобия и анализа ра мерностей.

На разрывную нагрузку после инсоляции будут оказывать влияние сл дующие факторы:

РР1 = Ч = ЛРр»сМ,рЛи) (:

где Рр 1 - разрывная нагрузка нити после воздействия естественной свет* погоды, сН;

Рр исх - разрывная нагрузка нити до воздействия светопогоды, сН; ¡1— длительность воздействия естественной светопогоды, мес.; Т1 - линейная плотность нити после инсоляции, текс; р- плотность нити, кг/м3; й- диаметр филамента, мкм; / - время растяжения, сек; / - зажимная длина, м.

Применяя методы анализа размерностей функциональное соотношеш (2) можно выразить через безразмерные показатели. Тогда соотношение пр] мет вид:

= О

исх

9

Л = ЛЛ2> О

где щ — безразмерный показатель, характеризующий влияние дл! тельности воздействия естественной светопогоды на разрывную нагрузку ю тей;

т]2 - безразмерный показатель, характеризующий структурные х< рактеристики образцов после воздействия естественной светопогоды;

Для установления степени влияния каждого из указанных параметро на разрывную нагрузку нитей после инсоляции в естественных условиях нг ходим зависимости:

=/(*,; = 0,952е-°'230'' ^

/

ч

Тх 1 ^•/•¿•ЙО

Ту

3,959-Г-—-1-1,085

\9-l-t-d)

«

Таким образом, итоговая формула для расчета разрывной нагрузки нитей после естественной светопогоды примет вид:

Г,

Р = Р

расч 1 рисх

•0,952е

-0,230/,

р-І-і-сі

3,959

Т,

(7)

Формула справедлива при 0<ґі<6; 0,32 <

-1,085

< 0,44.

Отклонение расчетных значений разрывной нагрузки параарамидных нитей от экспериментальных не превышает 4,8%.

Также в главе представлен метод прогнозирования разрывной нагрузки нитей Русар после воздействия искусственной светопогоды на приборах Ксе-нотест и ПДС.

Формула для расчета разрывной нагрузки нитей Русар после воздействия светопогоды на приборе ПДС:

Р = Р

расч2 рисх

0,960е

-0,037<2

р-1-і-сі

(8)

-1,135

4,073-

где Ррасчі — разрывная нагрузка нити после воздействия светопогоды на приборе ПДС, сН;

іі — длительность воздействия светопогоды на приборе ПДС, часы; Гг — линейная плотность нити после инсоляции на приборе ПДС, текс;

Формула справедлива при 0 < 24; 0,33 <

< 0,44.

Формула для расчета разрывной нагрузки нитей Русар после воздействия светопогоды на приборе Ксенотест:

Р =Р

расч 3 р исх

■ 1,048е

,-О.ОбКз

р-і-і-а.

-0,975

р-І-і-сі

(9)

+ 0,741

где Ррасч з — разрывная нагрузка нити после воздействия светопогоды на приборе Ксенотест, сН;

- длительность воздействия светопогоды на приборе Ксенотест, ч; Гз — линейная плотность нити после инсоляции на приборе Ксенотест,

текс;

Формула справедлива при 0 < Г3 < 24; 0,30 <

р-і-і-а

< 0,46.

Разработанные методы прогнозирования позволяют получить матем тические модели для расчета разрывной нагрузки параарамидных нитей Р cap с учетом длительности воздействия светопогоды и параметров строеш образцов. Формулы, полученные с помощью данных методов, являются аде: ватными, а результаты расчетов имеют высокую сходимость с результатам эксперимента.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Литературный обзор по теме исследования подтвердил ее акт альность, связанную с разработкой методов прогнозирования механическ* свойств параарамидных нитей по заданным параметрам.

2. Проведено исследование влияния климатических факторов на м ханические свойства параарамидных нитей как отечественного, так и зар; бежного производства и установлен вид функциональных зависимостей этт свойств от длительности воздействия.

3. Выявлено, ЧТО У всех исследуемых образцов С увеличением ДЛ1 тельности инсоляции, как в естественных климатических условиях, так и искусственных, наблюдается снижение механических свойств по экспоне] циальному закону.

4. Проведено исследование влияния различных способов обработв нитей Русар на изменение механических свойств после воздействия светоп< годы. Благодаря более упорядоченной структуре, термовытянутая нить и ни: Русар с повышенными физико-механическими свойствами имеют более вь сокую прочность и стойкость к воздействию светопогоды.

5. Проведено исследование поведения параарамидных нитей пс действием различных источников облучения. В качестве источников облуч! ния использовалась естественная светопогода и приборы Ксенотест и ПДС.

6. Установлено, что прибор Ксенотест позволяет получить результ; ты наиболее приближенные к естественным условиях инсоляции.

7. Получены поправочные коэффициенты между различными вид; ми воздействия светопогоды, позволяющие сравнить время инсоляции в ei тественных условиях, со временем испытаний на приборах искусственно светопогоды. Выявлено, что 24 часа воздействия светопогоды на прибор Ксенотест приблизительно соответствует 6 месяцам инсоляции В естестве1 ных климатических условиях.

8. Предложен метод комплексной оценки механических характер! стик нитей Русар. Он позволяет выявить лучшую нить по совокупности м< ханических свойств с учетом длительности воздействия светопогоды.

9. Использование метода теории подобия и анализа размерносте дает возможность существенно облегчить нахождение функционального bi да многопараметрических зависимостей, включающих структурные характ< ристики нитей, а также количество и длительность воздействия различны факторов.

10. Полученные математические модели позволяют прогнозировать с высокой степенью точности разрывную нагрузку параарамидных нитей в зависимости от длительности воздействия светопогоды и от структурных характеристик образцов.

Основное содержание диссертации изложено в печатных работах:

1. Никитина О.В., Шустов Ю.С., Курденкова A.B., Антонова О.Н. Исследование влияния светопогоды на механические свойства параарамидных нитей // «Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности», -2007, №2 - С. 26-28.

2. Никитина О.В., Курденкова A.B., Шустов Ю.С. Оценка изменения механических свойств параарамидных нитей после действия светопогоды // Ж. «Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности», - 2012, №2 — С. 15-18.

3. Никитина О.В., Курденкова A.B., Шустов Ю.С. Прогнозирование разрывной нагрузки параарамидных нитей Русар в зависимости от длительности воздействия естественной светопогоды // Ж. «Дизайн и технологии», - 2012, №28 - С. 27-30.

4. Антонова О.Н., Никитина О.В. Исследование физико-механических свойств высокомодульных нитей // Пятая Всероссийская научная студенческая конференция «Текстиль XXI» - МГТУ, 2006 - С. 41-42.

5. Никитина О.В., Антонова О.Н. Исследование влияния светопогоды на качество параарамидных нитей Русар // Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2007)», ч. 2, - ИГТА, Иваново, 2007-С. 182-183.

6. Никитина О.В., Курденкова A.B., Антонова О.Н., Шустов Ю.С. Влияние светопогоды на механические свойства параарамидных нитей Русар // Сборник научных трудов по текстильному материаловедению. Посвящается 100-летию со дня рождения Г.Н. Кукина, МГТУ имени А.Н. Косыгина - Москва, 2007 - С. 121-127.

7. Никитина О.В., Курденкова A.B., Антонова O.A. Исследование влияния естественной и искусственной светопогоды на разрывные характеристики параарамидных нитей Русар // Международная научно-техническая конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС - 2008)» - ИГТА, Иваново, 2008 - С. 207.

8. Никитина О.В., Курденкова A.B., Антонова O.A. Влияние светопогоды на полуцикловые характеристики параарамидных нитей // Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые -развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2008)» - ИГТА, Иваново, 2008 - С. 170-171.

9. Никитина О.В., Шустов Ю.С. Прогнозирование разрывной нагрузв параарамидных нитей // Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 17. М.: ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н.Косыгина», 2011. - С. 42-47.

10. Никитина О.В., Шустов Ю.С. Исследование механических свойств п; раарамидных нитей // Материалы 63-й межвузовской научно-техническс конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые учень КГТУ - производству» посвященной 50-летию полета Ю.А.Гагарина в космс 18-22 апреля 2011 года-Кострома, 2011 - С. 60-61.

11. Никитина О.В., Шустов Ю.С., Курденкова A.B. Исследование мехаш ческих свойств параарамидных нитей после воздействия искусственной ю соляции // Межвузовская научно-техническая конференция аспирантов студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышле! ности» (ПОИСК -2011) - Иваново, 2011, - С. 148-149.

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

Заказ 145 Тираж 80 О ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина» 2012

61 12-5/2456

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

НИКИТИНА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПАРААРАМИДНЫХ НИТЕЙ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТОПОГОДЫ

Специальность 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

7

Научный руководитель д.т.н., проф. Шустов Ю. С.

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5 ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

ПАРААРАМИДНЫХ НИТЕЙ 9

1.1. Классификация параарамидных нитей 9

1.2. Свойства параарамидных нитей 14

1.1.1. Механические свойства 17

1.1.2. Термические свойства 24

1.1.3. Влияние влаги на механические свойства параарамидных нитей, сорбционные свойства 29

1.2.4. Влияние светопогоды на свойства параарамидных нитей 34 Выводы по главе 38

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПАРААРАМИДНЫХ НИТЕЙ 40

2.1. Характеристика объектов исследования 40

2.2. Методы определения основных свойств параарамидных нитей 41

2.3. Определение механических свойств параарамидных нитей 41

2.4. Определение гибкости параарамидных нитей 58

2.5. Разрыв параарамидных нитей в мокром состоянии 59

2.6. Определение стойкости к самоистиранию параарамидных

нитей 62

2.7. Определение выносливости нитей при многократном изгибе 66 Выводы по главе 68

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТОЙКОСТИ НИТЕЙ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ЕСТЕСТВЕННОЙ И ИСКУССТВЕННОЙ

СВЕТОПОГОДЫ 70

3.1. Определение устойчивости параарамидных нитей к

воздействию естественной инсоляции 71

3.1.1. Исследование изменения разрывной нагрузки и

удлинения параарамидных нитей после естественной инсоляции 72

3.1.2. Влияние воздействия естественной светопогоды на

работу разрыва нитей Русар 81

3.1.3. Исследование диаграмм растяжения нитей Русар после воздействия естественной светопогоды 84

3.1.4. Исследование влияния естественной светопогоды на механические свойства при разрыве нитей Русар петлей и в узле 84

3.2. Исследование свойств параарамидных нитей после воздействия искусственной светопогоды на приборе ПДС 91

3.2.1. Исследование изменения разрывной нагрузки и разрывного удлинения нитей после инсоляции на приборе ПДС 91

3.2.2. Влияние инсоляции на приборе ПДС на работу разрыва параарамидных нитей 101

3.2.3. Исследование диаграмм растяжения параарамидных

нитей после воздействия светопогоды на приборе ПДС 105

3.2.4. Исследование влияния искусственной светопогоды на приборе ПДС на механические свойства при разрыве параарамидных нитей Русар петлей и в узле 112

3.3. Исследование свойств параарамидных нитей после воздействия искусственной светопогоды на приборе Ксенотест 116

3.3.1. Исследование изменения разрывной нагрузки и разрывного удлинения нитей Русар после инсоляции на приборе Ксенотест 117

3.3.2. Влияние воздействия светопогоды на приборе Ксенотест

на изменение работы разрыва нитей Русар 122

3.3.3. Исследование диаграмм растяжения нитей Русар после инсоляции на приборе Ксенотест 122

3.3.4. Исследование влияния инсоляции на приборе Ксенотест на механические свойства при разрыве параарамидных нитей Русар

петлей и в узле 126

3.3.5. Сравнение длительности воздействия естественных и искусственных условий инсоляции на механические свойства

параарамидных нитей Русар 130

Выводы по главе 136

ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ ПАРААРАМИДНЫХ НИТЕЙ РУСАР 13 8

4.1. Комплексная оценка механических свойств нитей Русар после естественной инсоляции 139

4.2. Комплексная оценка механических свойств нитей Русар после воздействия искусственной светопогоды на приборе ПДС 152

4.3. Комплексная оценка механических свойств нитей Русар после воздействия светопогоды на приборе Ксенотест 161 Выводы по главе 169

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПАРААРАМИДНЫХ НИТЕЙ

ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТОПОГОДЫ 170

5.1. Прогнозирование разрывной нагрузки нитей Русар в зависимости от длительности воздействия естественной светопогоды 171

5.2. Прогнозирование разрывной нагрузки нитей в зависимости от длительности воздействия светопогоды на приборе ПДС 177

5.3. Прогнозирование разрывной нагрузки нитей Русар в зависимости от длительности воздействия светопогоды на приборе Ксенотест 183 Выводы по главе 189

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

190 192

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Актуальность работы обусловлена широким применением параарамид-ных нитей для изготовления высокопрочных канатов, жгутов, лент и тканей. При эксплуатации изделия из параарамидных нитей испытывают воздействие внешней среды, в том числе влажности, температуры, облучения, что снижает их эксплуатационную надежность. Изделия должны противостоять длительному воздействию неблагоприятных факторов с максимально возможным сохранением исходных механических свойств. Поэтому, изучение и прогнозирование механических свойств после воздействия светопогоды является актуальной задачей при исследовании параарамидных нитей.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей после воздействия естественной и искусственной светопогоды.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

- исследование механических свойств параарамидных нитей в сухом и мокром состоянии;

- исследование влияния длительного воздействия естественной и искусственной светопогоды на механические свойства параарамидных нитей;

- выявление соответствия времени воздействия естественных климатических условий и искусственной светопогоды на механические свойства параарамидных нитей;

- проведение комплексной оценки механических свойств нитей с учетом длительности воздействия светопогоды;

- разработка метода прогнозирования механических свойств параарамидных нитей в зависимости от длительности воздействия светопогоды и структурных характеристик образцов.

Методы исследования

В качестве теоретической основы в исследованиях использовалась теория подобия и анализа размерностей, а также численные методы прикладной математики и математической статистики. Экспериментальные исследования проводились с использованием стандартизованных методов в лабораторных условиях. Построение функциональных зависимостей осуществлялось методами корреляционно-регрессионного анализа на ЭВМ с помощью программ Microsoft Excel и MathCAD. Для обработки графических изображений применялась программа Photoshop.

Научная новизна работы

При проведении теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

- получены функциональные зависимости между механическими свойствами параарамидных нитей и длительностью воздействия естественной и искусственной светопогоды с различными источниками излучения;

- установлено соответствие времени воздействия естественной и искусственной светопогоды на параарамидные нити;

- предложен метод комплексной оценки механических свойств параарамидных нитей с учетом длительности воздействия светопогоды;

- разработан метод прогнозирования разрывной нагрузки параарамидных нитей с использованием теории подобия и анализа размерностей в зависимости от длительности воздействия светопогоды и от структурных характеристик нитей.

Практическая значимость работы заключается :

- в оценке механических свойств параарамидных нитей российского и зарубежного производства;

- в получении аналитических зависимостей механических свойств параарамидных нитей от длительности воздействия естественной и искусственной светопогоды;

- в выявлении соответствия времени воздействия искусственной и естественной светопогоды на параарамидные нити;

- в получении математических моделей, позволяющих прогнозировать разрывную нагрузку параарамидных нитей Русар в зависимости от длительности воздействия светопогоды.

- Результаты исследований могут быть использованы на текстильных предприятиях при проектировании параарамидных нитей, что позволит снизить потери при разработке нового ассортимента изделий.

Апробация работы

Основные результаты научных исследований докладывались и получили положительную оценку на:

1. Пятой Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI», МГТУ, 2006;

2. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2007)», 2007, ИГТА, Иваново;

3. Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС - 2008)»;

4. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2008)»;

5. 63-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» посвященной 50-летию полета Ю.А.Гагарина в космос 18-22 апреля 2011 года, Кострома;

6. Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК -2011) 2011, Иваново;

7. Заседании кафедры текстильного материаловедения МГТУ имени А.Н. Косыгина.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов. Работа выполнена на 200 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 41 таблицу, список литературы включает 91 наименование.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПАРААРАМИДНЫХ НИТЕЙ 1.1. Классификация параарамидных нитей

В течение последних десятилетий в ряде стран мира, в том числе в России, разработаны и производятся нити и волокнистые материалы технического назначения со сверхвысокими механическими и термическими характеристиками. Впервые в мире параарамидная нить была получена в СССР в 1969 году во Всесоюзном научно-исследовательском институте искусственных волокон (ВНИИВ) под руководством Г.И. Кудрявцева. Впоследствии эту нить назвали СВМ. Также работы по получению высокопрочных нитей проводились в США и 1972 году была запатентована нить под торговой маркой Кевлар фирмой Du Pont de Nemour. Позже начали свои исследования голландские химики фирмы Akzo Nobel AG, которые создали нить Тварон. Кроме того, в Японии фирмой Toyobo Со Ltd в 1982 году начато производство нитей под названием Технора [1].

В настоящее время по химическому строению можно выделить следующие основные группы параарамидных нитей [2] :

- нити на основе полипарафенилентерефталамида (Тварон, Кевлар) и сополиамидов (Терлон);

- нити на основе несимметричных гетероциклических диаминов и их сополимеров (СВМ, Армос, Русар, Артек, Арус, Руслан, AuTx);

- нити на основе арамидов, содержащих пара- и метазвенья (Технора).

Рассмотрим наиболее распространенные виды параарамидных нитей.

Кевлар - это органическая нить семьи арамидов, качества которого

представляют собой уникальное сочетание легкости и высокой прочности, а также комфорта и защиты. Кевлар в пять раз прочнее стали. Легкий и эластичный материал Кевлар модифицировался в течение четырех десятилетий, выполняя самые разнообразные функции, начиная от спасения тысяч жизней по всему миру и создания более безопасных домов и автомобилей, до обес-

печения посадки космического аппарата на Марс. Благодаря уникальному сочетанию высокой прочности на разрыв, модуля упругости и низкой плотности, наряду с негорючестью и высокой термостойкостью, Кевлар также нашел применение в бронежилетах, противопульных и противоосколочных шлемах [3].

Тварон - это очень прочная и легкая параарамидная нить, эксклюзивным разработчиком и производителем которого является компания Тейджин Арамид, при одинаковом весе Тварон в пять раз прочнее стали. Эта нить обладает высоким модулем и термостойкостью и химически инертна. С момента разработки в 1960-х и 1970-х годах, его мономер и полимер производятся на заводе в Делфзейле, а нить - на заводе в Эммене (Нидерланды). Нить Тварон применяется в огромном диапазоне узкоспециальных назначений (шины, фрикционные и уплотняющие материалы (накладки тормозных колодок, прокладки, заменитель асбеста, пульпа), защитная одежда, армирование пластмасс, оптико-волоконный кабель и т.д.).

Появившиеся в 1987 году нити Технора - это очень прочные параара-мидные нити. Этот ароматический сополиамид идеален для применения в условиях динамических нагрузок, сопровождающихся сильной подвижностью. Прочная и легкая нить: при одинаковом весе Технора в восемь раз прочнее стали и в три раза прочнее стекловолокна, полиэфирных или нейлоновых нитей [4].

В последующие годы велись работы по созданию новых улучшенных арамидных нитей. В частности, в 1980-х и 1990-х годах фирма Дюпон разработала новое поколение нитей с повышенными эксплуатационными характеристиками - нить Кевлар 129, а в последнее время Дюпон сообщил о создании следующего поколения арамидных нитей - Кевлар №Т [3] и разработке нового типа нитей - высокомодульные нити Тварон черного цвета [4, 5]. Это первый в истории опыт получения цветной параарамидной нити, имеющей в выпускном виде золотисто-желтый цвет. До сих пор она не поддавалась окраске без потери своих уникальных свойств. Они идеально подходят для ук-

репления паруса и других спортивных товаров благодаря высокой прочности, стабильности размеров и большей эстетики.

Еще одна новая нить - Sulfron - это модификация параарамидной нити Тварон, которая улучшает свойства резиновых смесей на основе серных и пероксидных вулканизатов. Нить уменьшает теплонакопление и трение, увеличивая в то же время эластичность, сопротивление разрыву и усталостную прочность. Компоненты резины с добавлением модифицированной параарамидной нити Sulfron придают шинам большую прочность и долговечность, понижают сопротивление качению и расход топлива, не ухудшая при этом рабочих характеристик шин [4].

С 2007 года в Южной Корее компанией "Kolon Industries" начато производство параарамида под торговой маркой Heracron® (Ксеракрон) (заявленная мощность 1000 т/год) [6]. Производится стандартная нить HF-200 и высокопрочная нить Heracron HF-100. При линейной плотности 110 текс предел прочности на разрыв высокопрочной нити составляет 234 сНУтекс. Основные области применения - бронежилеты, шлемы, автомобильные принадлежности, защитная одежда и канатное производство.

Группа гетероциклических параамидных нитей, имеющих наиболее высокие механические свойства среди всего семейства параарамидных нитей, разработана в России. Основными производителями параарамидных нитей в России являются HI ill «Термотекс», ООО «Лирсот» и ОАО «Каменск-волокно». Сегодня они производят довольно широкий ассортимент параарамидных нитей [7-15]:

- нити СВМ имеют высокую относительную разрывную нагрузку (190-220 сН/текс), высокий механический модуль упругости (75-100 ГПа) и удлинение при разрыве (3,0-4,0%). Используются, в основном, в средствах баллистической защиты, композиционных материалах, авиационной и кабельной промышленностях. Также нашли применение при изготовлении лент специального назначения, армирования текстильных материалов (например, парашютных строп, тканей для парашютов и парусов);

- нити Русар, поставленные на производство в 1997 г., обладают высокой относительной прочностью (230-270 сН/текс), высоким механическим модулем упругости (100-140 ГПа), низким удлинением при разрыве (2,6-3,0%). Они характеризуются не только химической стойкостью, но и хорошими электроизоляционными свойствами. Это позволяет использовать их в самолетостроении и ракетостроении, при изготовлении сосудов высокого давления, спортивного снаряжения, а также в средствах баллистической защиты, как в виде «мягкой брони», так и в виде «жесткой брони»;

- нити Русар-О (огнестойкий), имеют относительную прочность 70-100 сН/текс, высокое удлинение при разрыве (3,0-4,0%) и высокий кислородный индекс (46%) и используются для производства специальной защитной одежды;

- нити Русар-С относятся к отечественным супернитям 3-го поколения, имеют самые высокие в мире физико-механические характеристики. Существенным отличием технологии их производства от нитей СВМ (первое поколение), Армос и Русар (нити 2-го поколения) является сухо-мокрое формование. Нити Русар-С используются в производстве ответственных композитных материалов специального назначения, срок службы которых составляет от 15 до 20 лет в зависимости от использования и условий эксплуатации;

- нити Армос, поставленные на производство в 1989 г., характеризуются сохранением высокой прочности на протяжении длительного времени (15 лет и более), высоким механическим м