автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Разработка метода расчета релаксации напряжения в капроновых нитях технического назначения

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ТЕКСТИЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

1.1. Деформационные свойства полимеров

1.2. Структура и свойства капроновых нитей технического назначения

1.3. Нелинейная вязкоупругость полимерных материалов.

1.4. Методы описания нелинейной вязкоупругости синтетических нитей.

1.5. Постановка задачи.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ.

2.1. Объекты исследования

2.2. Методика измерений изотермического релаксационного процесса.

2.3. Статистическая обработка результатов измерений

Глава 3. ПРОЦЕСС ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ

3.1. Математическое описание релаксационного процесса.

3.2. Метод определения деформационных характеристик по кратковременным измерениям релаксации напряжений

3.3. Влияние температуры на вязкоупругие свойства

3.4. Расчетное прогнозирование диаграмм растяжения по определяемым деформационным характеристикам

3.5. Основные результаты главы

Глава 4. ВЗАИМОСВЯЗЬ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ НИТЕЙ С

ТЕХНОЛОГИЕЙ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ.

4.1. Влияние степени вытягивания нитей на их деформационные (релаксационные) свойства

4.2. Влияние диаметра высокопрочных мононитей на их деформационные (релаксационные) свойства

4.3. Основные результаты главы

ОБЩИЕ ИТОГИ.

Перед работниками текстильной промышленности поставлена задача максимально возможной замены натуральных волокон для технических целей химическими /I/. По мере увеличения общего объема производства синтетических волокон и высокомолекулярных соединений -полимеров возникает необходимость совершенствования их свойств /2/. Потребность в технических волокнах со специфическими свойствами, особенно таких, как термостойкие и высокопрочные, неразрывно связана с дальнейшим научно-техническим прогрессом всего народного хозяйства /3/. В настоящее время наука о полимерах располагает убедительными доказательствами, свидетельствующими о реальной возможности получения из ориентированных гибкоцепных полимеров изделий с физико-механическими показателями, существенно более высокими нежели выпускаемых в промышленном масштабе волокон /4/.

Простое сравнение теоретических показателей с теми, которые достигнуты в настоящее время на реальных технологических процессах, указывает на большую степень несовершенства структурной организации полимеров в ориентированном состоянии и на значительные потенциальные ресурсы повышения прочных и упругих свойств волокон /2/. Эти обстоятельства наглядно иллюстрируют тот факт, что необходимо всестороннее изучение деформационных свойств синтетических нитей, с целью регулирования процессов получения материалов с высокими прочностными и упругими показателями.

Значительное место в выпуске синтетических волокон отводится высокопрочным капроновым комплексным нитям и мононитям технического назначения. Они получили широкое применение в шинной промышленности и резино-технических изделиях, фильтровальных тканях и композиционных материалах, а также в ряде других отраслей народного хозяйства. От капроновых технических нитей, применяемых для производства кордных тканей и резинотехнических изделий, требуется высокая прочность при растяжении, пониженное удлинение и высокий модуль.

Высокопрочные капроновые нити технического назначения в условиях получения, переработки и эксплуатации подвергаются растягивающим нагрузкам, значительно меньшим, чем разрывные, но действующим продолжительное время и в различных температурных условиях. Поэтому возникает необходимость в разработке метода количественного описания деформационных свойств указанных объектов.

Метод должна отличать простота аналитического описания релаксационного цроцесса, минимальное число характеристик для его описания, он должен быть доступным для практического использования в материаловедческих и технологических исследованиях.

Основная особенность капроновых нитей состоит в проявлении нелинейной вязкоупругости. Широко используемые диаграммы растяжения не дают достаточно четкой расшифровки этих свойств и, следовательно, необходимой информации о деформационных свойствах. В связи с этим в данной работе метод определения деформационных характеристик разрабатывался на основе измерений изотермического релаксационного цроцесса и его анализа с позиций представлений об активационном характере механических воздействий, сложившихся в физике и механике полимеров.

С целью улучшения прочностных и деформационных свойств капроновых нитей технического назначения цродолжаются работы по усовершенствованию технологических процессов. При этом решающей стадией производства комплексных нитей является ориентационное вытягивание. Поэтому установление взаимосвязи между этой стадией и деформационными свойствами представляется важнейшим фактором, необходимым для решения задач по целенаправленному регулированию этих свойств. Существенным фактором является также толщина мононити.

Разработка соответствующей системы характеристик, которая может быть использована как в техническом контроле, так и для инженерных расчетов (описание и црогнозирование) деформационных цроцессов по результатам экспресс-испытаний для высокопрочных капроновых нитей технического назначения определяет актуальность работы. Для текстильного материаловедения рассматриваемая диссертационная работа представляется как инструмент для оценки деформационных свойств капроновых нитей технического назначения.

Результаты исследований, изложенные в данной диссертационной работе, были получены при выполнении целевой программы 0Ц-018ГКИТ, а также комплексно-координационного плана Минлегпрома СССР и Минвуза СССР на 1981 - 1985 г.г. по теме "Изучение строения и свойств текстильных материалов".

Выполненная работа соответствует перечню рекомендуемых направлений диссертационных исследований в области текстильного материаловедения "Разработка методов оценки и прогнозирования долговечности текстильных, кожевенно-обувных и меховых материалов" предложенного отраслевым совещанием по вопросам аттестации научных и научно-педагогических кадров в области технологии материалов текстильной и легкой промышленности.

Цель работы состояла в разработке метода определения деформационных характеристик по кратковременным измерениям релаксации напряжения, а также в обосновании применимости этого метода к капроновым нитям, различающимся технологией получения.

Основные задачи работы: - разработка метода определения деформационных характеристик капроновых нитей технического назначения на основе анализа процесса релаксации напряжения;

- описание и расчетное прогнозирование процесса релаксации напряжения;

- количественное описание диаграмм растяжения;

- установление взаимосвязи между ориентационным вытягиванием комплексных нитей, диаметром мононитей и их деформационными свойствами.

Научная новизна работы состоит в разработке метода определения деформационных характеристик с позиций развиваемой теории нелинейной вязкоупругости, экспериментальном и расчетном обосновании математического описания диаграмм растяжения по указанным деформационным характеристикам; установлении взаимосвязи между указанными технологическими стадиями и деформационными свойствами получаемых нитей.

Практическая значимость работы заключается в использовании разработанного метода для сопоставления деформационных свойств нитей, различающихся технологией изготовления; для целенаправленного регулирования этих свойств; качественной и количественной интерпретации диаграмм растяжения применяющихся в технике; расчетного прогнозирования простых и сложных режимов нагружения, реализующихся в эксплуатационных условиях.

4.3. Основные результаты главы 4

1. Путем проведения кратковременных измерений в изотермическом режиме релаксации напряжения для широкого диапазона деформаций (5%) на комплексных капроновых нитях, различающихся кратностью вытягивания ( Л = 4,3 ч- 4,86) и мононитях различных диаметров d = 0,3 -г 0,9 мм) получены релаксационные "семейства". По разработанной методике рассчитаны деформационные характеристики.

2. Подтверждена надежность полученных деформационных характеристик по разработанному методу, путем расчета и прогноза в широком диапазоне времени процесса релаксации напряжения.

3. Показано, что в результате увеличения степени вытягивания комплексных капроновых нитей происходит изменение деформационных характеристик: увеличиваются модули упругости EQ и вязкоупругости Еэ, объем (Е0 - Еэ) и интенсивность Е^ релаксационных вкладов.

4. Отмечено, что с уменьшением диаметра мононитей происходит увеличение модулей упругости Еп и вязкоупругости Е0, интенсивности Е 1 и объема (ЕА - Е) релаксационных вкладов. Наблюдаемые измеи U о нения деформационных характеристик мононитей обусловлены различиями в молекулярной ориентации.

ОБЩЕ ИТОГИ

1. Разработан метод определения деформационных характеристик капроновых комплексных нитей и мононитей технического назначения на основе измерения изотермической релаксации напряжения. Преимущества этого метода состоят в кратковременности измерений, минимальном количестве характеристик, простоте их определения и обоснованности с позиций развиваемой кинетической концепции релаксационных процессов.

2. Посредством измерений и расчётов с позиции феноменологической теории нелинейной вязкоупругости обосновано использование двух нормированных релаксационных функций от сложного деформационно-временного аргумента - функционала: интеграла вероятностей и экспоненциальной функции для количественного описания и расчётного прогнозирования изотермических релаксационных процессов в диапазоне деформирования до 5%.

3. Измерения и расчёты с помощью разработанного метода подтвердили достаточную надёжность применяемого количественного описания релаксации в диапазоне температур от 293 К до 333 К, а также и для прогнозирования релаксации напряжения на 3*4 десятичных порядка времени. Последнее обосновывает достаточную объективность деформационных характеристик, определяемых по разработанному методу.

4. Установлено, что с увеличением температуры происходит уменьшение модулей упругости и вязкоупругости, а также увеличение интенсивности релаксационного процесса. Последнее коррелирует с приближением к известной области резкого увеличения механических потерь.

5. С помощью разработанного метода выявлена взаимосвязь релаксационных процессов с диаграммами растяжения, которые широко используются для оценки прочностных и деформационных свойств нитей. Установленная взаимосвязь позволяет количественно интерпретировать эти диаграммы, а также прогнозировать более сложные режимы активного деформирования. Из этого следует, что определяемые характеристики достаточно глубоко отражают эксплуатационные свойства нитей.

6. Установленные соответствия медлу деформационными свойствами и кратностью вытягивания комплексных капроновых нитей технического назначения, а также изменением диаметра у высокопрочных мононитей. С увеличением степени вытягивания комплексных капроновых нитей и уменьшением диаметра мононитей происходит увеличение модулей упругости и вязкоупругости, увеличение релаксационного вклада и интенсивности редаксации, изменения характера нелинейности вязкоупругих свойств.

7. Проведенные пробные измерения на лавсановых нитях и лентах подтвердили возможность применения разработанного метода к ряду синтетических нитей, обладающих аналогичной ориентированной структурой, а также к изделиям из них.

1. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 1985 годы и на период до 1990 года. - "Правда", 1981, 5 марта.

2. Чеголя А.С. Высокопрочные и высокомодульные волокна из гибкоцепных полимеров. Препринты Ш Международного симпозиума по химическим волокнам. Калинин, 1981, т.1, с.332.

3. Романов А.В., Федорук Ю.С. Состояние и перспективы развития производства тяжелых технических тканей. Всесоюзная научно-техническая конференция. Москва, 1984, с. 3 - 5.

4. Мировое производство химических волокон в 1976 1980 гг. (Федоренко А.А., Митрофанова Т.Г., Бурлюк Б.В., Крюкова Н.Н.-"Химические волокна". 1982, №5, с.14 - 19.

5. Кукин Г.Н., Соловьев А.Н. Текстильное материаловедение. М.: Ленгкая индустрия, 1964, т.2, -337 с.

6. Соловьев А.Н. Измерение и оценка свойств текстильных материалов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Легкая индустрия, 1966, -210 с.

7. Матуконис А.В. Строение и механические свойства неоднородных нитей. М.: Легкая индустрия, 1971, -191 с.

8. Рксюк Б.Д., Носов М.П. Механическая анизотропия полимеров. -Киев: Наукова думка, 1978, -229 с.

9. Белицин М.Н. Синтетические нити. М.: Легкая индустрия, 1970, -191 с.

10. Мелентьев П.В. Построение суперпозитивных кривых при исследовании свойств полимерных материалов. Изв.вузов. Технология легкой промышленности, 1973, №4, с.52.

11. Сталевич A.M. Исследование упруго-релаксационных свойств синтетических волокон технического назначения. Дне. .докт.техн.наук. Л., 1973, - 250 с.

12. Тиранов В.Г. Релаксационные процессы и способы их оценки в нагруженных комплексных нитях. Дис. . докт.техн.наук, -Л., 1980, - 380 с.

13. Корицкий К.И. Инженерное проектирование текстильных материалов. М.: Легкая индустрия, 1971, - 352 с.

14. Каминский В.Н. Изучение усталостных свойств капроновых и лавсановых нитей технического назначения. Автореферат кандидатской диссертации. Л., 1973, - 28 с.

15. Жиемялис Р.Ф. Механические свойства химических комплексных нитей при высокоскоростных испытаниях и прогнозирование качества текстильных материалов. Дис. . докт.техн.наук. -К., 1984, - 616 с.

16. XetboUnnourv К. ШЖйе. ажьоС G^cef ofZifapuri-tai МдАъьсяЯб cuvd. Oifun. ZUgh Pofyiwtfi l^cAi^e 7оимЫлНоп,1. Щи fusion , Я С.,

17. Структура волокон (Под общ.ред. Д.В.С.Хёрла и Р.Х.Петерса.1. М.: Химия, 1969, 400 е.).

18. Мередит Р., Хёрл Дж.В.С. Физические методы исследования текстильных материалов. М.: Гизлегпром, 1963, - 387 с.

19. Мортон В.Е., Хёрл Дж-В.С. Механические свойства текстильных волокон. М.: Легкая индустрия, 1971, - 181 с.

20. ХрФтоиг У. Ръос. %л 9oe.t £,405, 3*2.

21. У* &£ VfkaJi, У- • tot., 4Ж, <194<t.

22. Канарский Н.Я., Эфрос Б.Е., Будников В.И. fyccraie люди в развитии текстильной науки. М.: Гизлегпром, 1950.

23. Краснов Е.П. Физико-механические свойства волокон из гибко цепных полимеров с повышенным комплексом прочностных и упругих свойств. Препринты Ш Международного симпозиума по химическим волокнам. Калинин, 1981, т.1, с.34-51.

24. PhUi.3. a J.J-pp-e. РНф^АМъ, .

25. JUtrtcUtiL Л 7Ш- • W 4954, зР.

26. MthCOUHi ^iWw fUenu JUL&H-MSiM&t4953 р- Z6P

27. WtQMve*' W.Mt-UuOsPvcL , Z0t вО, <IWf ZZ9, ЯП9 Ш, SP</, .

28. Кобеко П.П. Аморфные вещества. М. - Л.: Изд. АНСССР, 1952, - 432 с.

29. Френкель С.Я. Дополнения к книге Джейха Ф.Х. Полимерные монокристаллы. -Л. Изд.:Химия, 1968, с.479-541.

30. Александров А.П. Морозостойкость высокомолекулярных соединений. Труды I и П конференции по высокомолекулярным соединениям. М.: Изд. АН СССР, 1945, с.49-59.

31. Александров А.П., Лазуркин Ю.С. Изучение полимеров, I. Высокоэластическая деформация полимеров. Динамический метод исследования эластических полимеров. Журнал технической физики, 1939, т.9, №14, с.1249-1266.

32. Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. М.: Химия, 1967, -231 с.

33. Слонимский Г.Л. О законе деформации реальных материалов. -Журнал технической физики, 1939, т.9, №20, с.1791*1807.

34. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Релаксационные явления в полимерах. Л.: Химия, 1972, - £49 с.

35. Лайцус JI.A., Кувшинский В.В. Высокомолекулярные соединения, 3, 450, I960.

36. Алфрей Т. Механические свойства высокополимеров. М.: Из-датинлит, 1952, - 619 с.

37. И. omcL ЛоЛщ £ РМгуш* PAydlek, Шт i<xU Ри№Шп$ fa, Mew УрЛ, 47oMJ Л. К v- ^ P37,38,39,40,41,42,43,44