автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка многослойных кремнеземных тканей разреженных структур

ш. М'

ПАВЛИХИНА ИРИНА ЮРЬЕВНА

РАЗРАБОТКА МНОГОСЛОЙНЫХ КРЕМНЕЗЕМНЫХ ТКАНЕЙ РАЗРЕЖЕННЫХ СТРУКТУР

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00501611

8

3' 1 "

005016118

ПАВЛИХИНА ИРИНА ЮРЬЕВНА

РАЗРАБОТКА МНОГОСЛОЙНЫХ КРЕМНЕЗЕМНЫХ ТКАНЕЙ РАЗРЕЖЕННЫХ СТРУКТУР

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 ткачества федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н.Косыгина»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Николаев Сергей Дмитриевич

Скуланова Нина Сергеевна, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры прядения федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А. Н. Косыгина»

Левакова Наталия Марковна, кандидат технических наук, генеральный директор ООО «ТЕКС-ЦЕНТР»

Ведущая организация

ОАО НПК «ЦНИИШЕРСТЬ»

Защита диссертации состоится мая 2012 года в » часов 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 « Л апреля 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.139.02, доктор

технических наук, профессор Шустов Юрий Степанович

АННОТАЦИЯ

Многослойные кремнеземные ткани используются в качестве теплозащитного материала в условиях статического воздействия высоких температур взамен асбестовых покрытий. В работе теоретически доказана возможность изготовления кремнеземных многослойных тканей на отечественном технологическом оборудовании, предложена методика расчета коэффициента объемного заполнения волокнистым материалом многослойной ткани, позволяющего оценить уплотненность ткани, проведен расчет параметров напряженно - деформированного состояния нитей основы. Проведены экспериментальные исследования натяжения основных нитей на ткацком станке, позволившие предложить оптимальные технологические параметры изготовления кремнеземных облегченных многослойных тканей на отечественном технологическом оборудовании. Разработаны технические требования к кремнеземным многослойным тканям. Предложена технология подготовки нитей к ткачеству и ткачества для изготовления облегченных кремнеземных многослойных тканей и разработаны технологические параметры процессов, обеспечивающие получение тканей заданного строения и с заданными свойствами. Исследованы свойств и структуры кремнеземных нитей и тканей в процессах подготовки нитей к ткачеству и в процессе ткачества. Проведен сравнительный анализ свойств и структуры обычной кремнеземной многослойной ткани и ткани облегченного типа, определены рациональные показатели свойств и параметров заправки предложенной кремнеземной многослойной ткани МКТО-12.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1. Метод исследования параметров строения и свойств облегченных кремнеземных многослойных тканей.

2. Методику прогнозирования параметров напряженно-деформиро-ванного состояния заправки облегченной кремнеземной многослойной ткани.

3. Структуры облегченных кременеземных многослойных тканей;

4. Метод расчета напряженности заправки ткацкого станка на основе критерия длительной прочности Москвитина.

5. Технические требования и технологию изготовления кремнеземных тканей.

6. Исследование влияния нагружения каркасных нитей основы на толщину

ткани.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Многослойные кремнезёмные ткани облегчённого типа используются в качестве теплозащитного материала в условиях статического воздействия высоких температур взамен асбестовых покрытий. Последние выделяют канцерогенные вещества и запрещены к использованию в производствах стран ЕС.

Условия работы в металлургической, нефтехимической, электротехнической промышленности, на атомных электростанциях и в космосе требуют создания средств защиты объектов от высоких температур при условии снижения массы изоляционного материала, в частности ткани. В этой связи разработка новых облегченных кремнеземных тканей технического назначения, исследование их строения и свойств представляется актуальной задачей.

Целью данной работы является разработка новых облегченных кремнеземных тканей технического назначения, технологии их изготовления на отечественном технологическом оборудовании и исследование параметров строения и свойств ткани технического назначения.

Задачами данного исследования являются: оценка напряженности выработки ткани технического назначения из углеродных нитей на отечественном технологическом оборудовании; прогнозирование напряженно - деформированного состояния нитей основы и утка на ткацком станке; построение геометрической модели строения облегченной кремнеземной многослойной ткани; разработка технологии изготовления облегченной кремнеземной многослойной ткани; исследование свойств и строения облегченной кремнеземной многослойной ткани.

Методика данного научного исследования включает проведение теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования основаны на использовании современных научных теорий накопления повреждений, наследственной теории вязкоупругости, геометрическом методе строения и проектирования тканей. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры ткачества. Использованы стандартные приборы для определения свойств нитей тканей, а также тензометрическая аппаратура. При обработке экспериментальных данных использовались современные методы статистики. При проведении работы широко использовалась современная вычислительная техника.

Научная новизна работы заключается в:

- доказательстве возможности изготовления исследуемых тканей на основе использования критерия длительной прочности Москвитина;

- расчете параметров напряженно-деформированного состояния нитей основы и утка на ткацком станке на основе наследственной теории вязкоупругости;

- построении геометрической модели строения облегченной кремнеземной многослойной ткани;

- разработке требований к кремнеземным тканям, используемых в технических

целях;

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке новых облегченных кремнеземных многослойных тканей, обладающих необходимыми свойствами;

- исследовании основных свойств и параметров строения исследуемых тканей, что позволяет прогнозировать их дальнейшее использование в различных конструкциях;

- анализе напряженно-деформированного состояния заправки ткацкого станка, исследовании натяжения основы и утка в различные периоды тканеформирования;

- разработке рекомендаций по изготовлению исследуемых тканей на отечественном ткацком станке;

- внедрении результатов работы на ЗАО «ТРИ-Д»-

Апробаиия работы. ~

Основные положения диссертации обсуждались на заседании кафедры ткачества МГТУ им. Косыгина (2011, 2012 гг.). Результаты диссертационной работы доложены на международных научно-технических конференциях «ТЕКСТИЛЬ-2009, ТЕКСТИЛЬ-2010, ТЕКСТИЛЬ-2011» (г. Москва), «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» (2011 г„ г. Витебск), «ПОИСК-2011» (г.Иваново), «Прогресс- 2011», (г.Иваново) Опубликовано 16 работ, из них б статей (3 в журналах, рекомендованных ВАК), 5 патентов РФ.

Структура и объем диссертации Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, состоит из введения, 3 глав, общих выводов по работе, списка использованных источников из 86 наименований, 7 приложений на 14 стр., содержит 16 таблиц, 45 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость результатов.

Первая глава посвящена состоянию вопроса. Все работы, тесно связанные с темой диссертации, рассматривались по следующим направлениям: работы,^связанные с особенностями строения и технологии выработки многослойных тканей технического назначения; работы, связанные с установления взаимосвязи между технологическими параметрами и параметрами строения тканей; работы по оценке напряженности заправки ткацкого станка. Анализ литературных источников позволил подтвердить актуальность выбранной темы, отметить ее научную значимость и практичную ценность.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям.

В настоящее время отечественное оборудование не позволяет вырабаты-вать весь необходимый ассортимент тканей, пользующийся спросом у населе-ния. В работе проводится расчет повреждаемости нитей основы для прогно-зирования возможности изготовления тканей. В этом случае используются критерии длительной прочности. Основной характеристикой, используемой в теориях накопления повреждений, является время их разрушения.

Для выяснения возможности изготовления ткани на ткацком станке использован критерий длительной прочности Москвитина. Коэффициент повреждаемости нити основы можно рассчитать по следующей формуле:

где т - параметр нити, определяющий предисторию нагружения; t - вре-мя нагружения; Т - текущее время нагружения; СГ - напряжение нити.

В работе использован степенной закон, связывающий напряжение нити и время

разрушения: ? = В<7 Ь (2)

С учетом степенной зависимости критерий Москвитина принимает следующий

вид

в 0 (3)

Коэффициент повреждаемости может быть рассчитан по следующей формуле при постоянном напряжении -

77 ~ В^ (4)

Параметры Д т и Ь можно определить из опытов на разрушение на длительную прочность. Расчеты дали следующие значения параметров:

Ь=6,5 В-1,2510" т~-0,92

Расчет коэффициента повреждаемости дал значение 0,558. Проведенные расчеты свидетельствуют о возможности изготовления кремнеземной ткани на ткацком станке.

Характеристикой, определяющей количество волокна в объеме многослойной ткани, является коэффициент объемного заполнения. Этот показатель дает возможность оценить уплотненность тканей в относительных единицах. Это особенно важно

для многослойных тканей, так как количество волокна в стеклопластиках, полученных на их основе, не может быть изменено в процессе изготовления изделия.

Под коэффициентом объемного заполнения (Kv) многослойной ткани понимается отношение объема волокна основы (V,„.) и утка (V,y.), находящегося в некотором элементарном объеме многослойной ткани, к объему выделенного элемента ткани CVm). Переход от объема нитей к объему волокон может быть представлен следующим образом: Kv =VJVmr =V„0 fi)

где V» - объем волокна в элементе многослойной ткани, мм ; Vm - объем элемента многослойной ткани, мм3; VB0. - объем волокон, находящихся в нитях основы элемента ткани мм3- V,. - объем волокон, находящихся в нитях утка элемента ткани, мм .

Учитывая особенности строения многослойных тканей, необходимо знать аналитическое выражение коэффициента объемного заполнения не только для ткани в целом (Kv), но и раздельно для нитей основы (Kv.0.) и утка (Куу).

Это позволит оценить реализацию прочности стекловолокна в направлении основы и утка в многослойных тканях и пластике. Величину коэффициентов К„.„.и Ку.у можно найти из следующих соотношений:

Kvo=VeJVmK;K^Ve/VmK (6)

В работе предложены формулы для расчета объема, занимаемого элементом многослойной ткани. Коэффициент объемного заполнения многослойной ткани можно записать следующим образом: К^у8,0трк.сл+ Ув,0.перм.ся+ 'в.у (7)

Максимальное заполнение многослойной ткани может быть получено при наибольшей технологически возможной плотности ее по основе и утку. В работе даны формулы для определения максимально возможной плотности многослойной ткани по утку в слое. Используя формулы для определения наибольшей плотности многослойной ткани по основе и утку, можно рассчитывать максимальное значение коэффициентов объемного заполнения (Kv, Кко„ Kv.y.).

Для описания процессов деформирования вязкоупругих материалов Л. Больц-ман разработал теорию наследственной вязкоупругости. Математическая запись зависимости напряжений от деформаций, основанных на этих гипотезах, имеет вид:

£{t) = ^l+l-'\K(t-T)<j{T)dv

Е Ei (8)

<

a(t) = Ee{t) - Е }v(t - r)s{r)dr о

где: er - напряжение нити; е - относительная деформация нити; Е - модуль упругости нити; K(t-r) и V(t-z) - функции влияния; t - время наблюдения; г - время, предшествующее времени наблюдения.

Многочисленные расчеты, проведенные нами, показали, что при изучении явлений происходящих с текстильными материалами во времени 0<t<0.5, достаточно иметь один член вышеприведенных уравнений, а во времени 0.5<t<l - два члена. При проведении эксперимента t,, h, h берем в интервале 0<t<0.5, а время U - в интервале 0.5<t<l.

На кафедре ткачества МГТУ им.А.Н.Косыгина предложены формулы для расчета параметров вязкоупругости, используемые нами в работе: о-,а(а +1) е[а{а + 1) - At°*1] if (ст2 - о-з ) - (сг, - сг3) + Ч (ст, - <у2)

(o-,-g;)g(g+1) (<т4 - o-, )(a + l)q + Да4(/4° - )(g +1)

p г^с/Г'-Т*1)

Решение уравнений проводили при использовании стандартной информационной программы "МАТКАД". Вязкоупругие параметры исследуемых кремнеземных нитей имеют следующие значения: для нитей 170 текс: А=0,103; а=0,22б; Р= 0,624; Е=23100 Мпа; для нитей 170 хЗ текс: А=0,105; а=0,229; /?= 0,635; Е=23400 Мпа; для нитей 170 х 4текс: А=0,110; а=0,224; ¡3= 0,641; Е=23600 Мпа.

Так как для нитей на ткацком станке зависимость между напряжениями и деформациями включает время, то для описания их напряженно-деформи-рованного состояния необходимо использовать теорию наследственной вязко-упругости. Расчет проводился по формулам, предложенным С.Д.Николаевым и его учениками при исследовании однослойных тканей.

При исследовании напряженно-деформированного состояния нитей за один оборот главного вала уравнение у опушки ткани имеет вид:

¿•(0 = ^гП+ '\K(r)dr\ + "a¡ [ft-f2)+ )K{t-t)Tdz]-

Ь /, ^ V3 2) i2

-ТГГ^Г^-h)+"¡K(t-r)rdT)}+^^-[(,t5-/«) + ]K(t-T)TdT}+ ¿(.'4 ~'з) ,, £V 4/ I,

+ £V-£L

E

[1 +\K{z)dz}-£ a\[{t-t6)^\K{t-T)rdr] i, '<■) ,„

(10)

где - время; о; - напряжение нити; £/ - относительная деформация нити; К(0 -функция влияния на участке с постоянным напряжением нити; К(г-т) - функция влияния на участке с постоянной скоростью напряжения нити; Е - модуль упругости нити.

Формулы для расчета параметров напряженно-деформированного состояния нитей по глубине заправки в зоне формирования ткани имеют вид:

Е о '1) I,

+ СТ" °"№[1+ '\K{T)dz}+a"p ¡K(j)dT] +

í2 tj -

(11)

Знание характера распределения натяжения и деформации основы по глубине заправки позволяет прогнозировать напряженность заправки ткацкого станка в наиболее трудных для экспериментирования зонах.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям.

Многослойные кремнезёмные ткани облегчённого типа используются в качестве теплозащитного материала в условиях статического воздействия высоких температур взамен асбестовых покрытий. Последние выделяют канцерогенные вещества и запрещены к использованию в производствах стран ЕС. Развитие инвестиционных

отношений Российской Федерации с другими промышленно-развитыми странами требует исключения применения асбестовых материалов.

Решение поставленной задачи (существующей проблемы) возможно при выполнении следующих технических требований: использование термостойких нитей значительной линейной плотности до 500-750 текс; введение процесса текстурирова-ния нитей и увеличения их поперечных размеров в 1,5-2 раза; разработка структуры многослойных тканей толщиной до 10-30 мм; обеспечение объёмного заполнения многослойной ткани стекловолокном в пределах 0,3-0,35 г/см3; технологичность в приготовительных отделах и ткачестве.

Химические нити полученные на основе кремнезёмного волокна обладают температурой размягчения 1350 С0, что обеспечивает заданную тепловую защиту. Использование кремнезёмных нитей линейной плотности до 500-750 текс с диаметром до 0,9-1,1 мм необходимо для увеличения толщины ткани и снижение её объёмного заполнения.

Процесс текстурирования не характерен для переработки стеклянных нитей, но для получения облегчённых тканей заданной толщины необходимо увеличение поперечника нити и создание объёмности, рыхлости её структуры. Метод раздува кручёных кремнезёмных нитей приводит к увеличению их поперечных размеров 1,82-2,00 раза, а на отдельных участках в 2-2,2 раза.

Известно, что применение многослойных переплетений позволяет вырабатывать ткани с толщиной в десятки раз больше, чем у однослойных тканей. Однако необходимость одновременного уменьшения объёмного заполнения ткани волокнистым материалом до 0,3-0,35 г/см3 требует проектирование тканей особой слоисто-каркасной структуры. В этой ткани каркасные основные нити (1-8), переплетаются полотняным переплетением с уточными нитями своих слоёв и образуют внешние и внутренние каркасные горизонтальные слои. Перевязывающие основные нити (9,10), переходя из верхнего слоя через внутренние в нижний слой и обратно, образуют вертикальные структуры.

Разработанная технология выработки МКТО включает несколько подготовительных операций и ткачество. Все они предназначены для решения поставленной задачи и направлены на создание условий снижения удельной плотности и увеличение толщины используемых кремнеземных нитей и самой многослойной ткани. Разработанная технология выработки МКТО включает несколько подготовительных операций и ткачество. Все они предназначены для направлены на создание условий снижения удельной плотности увеличение толщины используемых кремнеземных нитей и самой многослойной ткани.

э ю

Разработанная технология выработки МКТО включает несколько подготовительных операций и ткачество. Все они предназначены для решения поставленной за-

дачи и направлены на создание условий снижения удельной плотности и увеличение толщины используемых кремнеземных нитей и самой многослойной ткани.

В технологический план выработки МКТО включены процессы трощения, кручения, текстурирования кремнеземных нитей 170 текс, которые осуществляются на переоборудованных отечественных машинах.

На машине ТКС-132 в процессе подготовки крученой нити при частоте вращения веретен 2400+500 мин"1 величина крутки снижена до 50±8 кр/м. Линейная плотность выходящих нитей, используемых в МКТО в качестве утка и каркасной основы, составляет 680±80 текс (170текс х 4), а для перевязывающей основы применяется кремнеземная нить меньшей линейной плотности 510±60 текс (170текс х 3).

Процесс текстурирования кремнеземных крученых нитей осуществляется на бобинажной перемоточной машине с аэродинамическим прибором при давлении воздуха 4,5-5,0 кгс/см2 (440000±4900 Па). У многослойных тканей, выработанных из текстурированных нитей, возрастает пористость и как следствие теплозащитные и теплоизоляционные характеристики.

Климовское СКБТО на базе станков фирмы «Астра-Верке» и «Текстима» разработало многочелночный ткацкий станок ТМЗ-160С, на котором установлены две спаренные машины Жаккарда фирмы «Текстима», модель 4820-3. Увеличение толщины многослойной каркасной ткани до 30-50 мм получено за счёт увеличением количества уточных слоев и использования в переплетении МКТО до 15-20 основных систем, что обеспечивается работой машин Жаккарда.

В данной работе проведено исследования свойств МКТО при изменении числа слоев от 8 до 38. При этом толщина многослойной ткани возрастала от 12 мм до 50 мм.

Однако при увеличении количества уточных слоев более 12-ти в процессе изготовления слоисто-каркасной МКТО отмечено возрастание технологических затруднений. Испытания тка-ни МКТО в качестве теплозащитного материала показали, что при условии кратковременного воздействия температур оптимальным является вариант 8-ми слойной слоисто-каркасной ткани, объемная геометрическая модель которой представлена на рисунке. Данная ткань наиболее технологична и может быть выработана на переоборудованных ткацких станках АТ-100-5М и АТТ-120-С.

Сложность структуры слоисто-каркасных тканей: резкое (в 9-10 раз) различие в уработках каркасных и перевязывающих основных систем, использование кремнеземных текстурированных нитей — диктуют особые условия изготовления этих тканей. Учитывая это, основные нити располагаются на двустороннем шпулярнике, на котором установлены катушки с каркасными и перевязывающими основными нитями с индивидуальным натяжением каждой нити. Натяжение обеспечивается грузовыми скобами, масса и количество которых выбирается эмпирически в зависимости от линейной плотности нитей основных систем и расположения их на рамке шпулярника.

Далее через направляющие гребенки, нити основы заправляются в скальное устройство для разделения их на своды. Скальное бердо служит для параллельного и упорядоченного расположения нитей основы. В качестве зевообразовательного механизма установлена каретка полуоткрытого зева на 12 ремизок. Вместо кромок в краях ткани прокладывают металлические прутки. Кромкообразующий механизм игольчатого типа обеспечивает постоянство ширины ткани. Прижимной пругок, идущий вдоль опушки ткани, ограничивает перемещение опушки по вертикали, тем самым создает условия для нормального тканеобразования.

С этой же целью снижена скорость ткацкого станка до 60-78 об/мин, предложено использование системы скал, установленных таким образом, что в зоне скального берда слои основных нитей располагались практически на уровне опушки своего слоя, что позволяет создавать условия для выравнивания натяжения основных нитей в ветвях зева. Величина заступа равна 1 мм, величина прибойной полоски 2-3 мм.

В процессе эксперимента проводились измерения поперечных размеров нити до и после кручения, после текстурирования, а также нитей, вынутых из ткани. Поперечные размеры нитей имели большие колебания по величине.

Кремнеземные нити 170 текс в процессе подготовки подвергаются кручению в три и четыре сложения. Их поперечные размеры увеличиваются и имеют значительные колебания. Эти колебания толщины нитей объясняются наличием отходящих волокон и возможностью изменения поперечника нитей при малой величине крутки (50-60 кр/м). Процесс текстурирования вносит свои коррективы, при этом уровень колебания поперечника нити уменьшается. Для нитей 180 текс х 3 он составляет 0,06 мм; для 180 текс х 4 - 0,02 мм.

Кремнеземные текстурированные нити основы и утка, вынутые из ткани имеют колебания, обусловленные деформационным взаимодействием основы и утка в процессе ткачества и тканеобразования. Смятия нитей в вершинах связи и его отсутствие в межнитеевом пространстве накладывает свой отпечаток на конфигурацию поперечника нити. При этом наблюдается значительно большая равномерность у нитей утка всех слоев многослойной ткани. Колебания размеров от 1,83 мм до 1,73 мм. У основных нитей разброс толщины нитей составляет от 1,97 мм до 1,30 мм.

У текстурированных кремнеземных нитей 180 текс х 3, используемых в дальнейшем для перевязывающей основы, увеличение составляет 4,2 раза, у нитей 180 текс х 4, которые принимаются в качестве утка и каркасной основы, - 6 раз.

Исследование одноцикловых нагрузок кремнеземных нитей в процессах их подготовки, а также нитей основы и утка, вынутых из ткани, представляет интерес как показатель сохранения прочностных характеристик конечного композитного материала. В случае использования МКТО без дополнительной пропитки связующим разрывные нагрузка и удлинение исследуемых нитей является гарантией отсутствия существенных разрушений кремнеземных нитей при изготовлении многослойной

ткани слоисто-каркасной структуры.

Полученные данные свидетельствуют о значительной неравномерности свойств всех кремнеземных нитей: исходных, крученых, текстурированных и перемотанных на основные катушки и уточные шпули. Колебания их показателей от максимального до минимального значения составляют от 20% до 40%, что вызывает ухудшение условий их переработки.

. Процесс кручения приводит к пропорциональному увеличению разрывной нагрузки в 2,4 и в 3,7 раза соответственно, при некоторой потере прочностных характеристик используемых нитей. За счет усадочного явления у кремнеземных текстуриро-

ванных нитей увеличивается линейная плотность от 510 текс до 540 текс (ниш в 3 сложения) и от 680 текс до 720 текс (нити в 4 сложения). При этом процесс текстури-рования, как и последующие процессы перематывания на катушки и шпули, не оказали существенного влияния на прочностные характеристики нитеи (падение в преде-12 3

ЛаХ ' Для разработки перспективных материалов, обладающих повышенными теп-лофизическими свойствами при условии снижения материалоемкости, было предложено использовать многослойные ткани слоисто-каркасной структуры из кремнеземных текстурированных нитей большой толщины

При подготовке к решению поставленной задачи определены технические требования, включающие широкий интервал изменения толщины многослойных тканей от 10 мм до 50 мм при одновременном снижении удельной плотности ткани до 0,150 35 го/см3. С этой целью предложена и проанализирована группа многослойных тканей, отличающихся числом уточных слоев и распределением каркасных основных нитей во внутренних слоях слоисто-каркасной структуры.

Во всех опытных образцах МКТО использовались кремнеземные текстуриро-ванные нити линейной плотности 720 текс (180 текс х4) для образования каркасных основных и уточных слоев 540 текс (180 текс хЗ) для формирования перевязывающей системы, соединяющей каркасные слои и проходящей снизу вверх через всю толщину ткани. В качестве базового переплетения во всех тканях применялось полотняное переплетение. „ ,„™=„ Проводилось варьирование количества основных каркасных нитеи во внутренних каркасных слоях. В многослойных тканях с числом уточных слоев от 8 до 11 сформировано два внутренних каркасных слоя, а при дальнейшем увеличении слой-носга МКТО их количество возросло до четырех и до шести внутренних каркасных слоев в ткани с 32-мя уточными слоями. При этом было установлено, что увеличение числа уточных слоев между внутренними каркасными слоями более 2-х уточных нитей приводит к деформации ткани из-за ее низкой формоустойчивости, что отразилось на замедленном росте толщины ткани.

Экспериментальные исследования показали, что при увеличении числа активных уточных слоев МКТО от 8 - до 38 увеличилась поверхностная плотность ткани от 2 39 до 7 65 кг/м2. В целом поверхностная плотность увеличилась в 1,77 раза, а толщина опытных образцов МКТО возросла в 4 раза, что свидетельствует о эффективности слоисто - каркасной структуры.

Основным показателем для проектирования МКТО является удельная плотность (у) которая уменьшалась в процессе данных исследований от 0,346г/см до 0 153 г/см3 Однако ткани с у < 0,2 г/см3 имеют подвижную структуру и легко деформируются при незначительных нагрузках, что свидетельствуют о нецелесообразности

их дальнейшей выработки.

Уработка основных нитей каркасных и перевязывающих слоев резко отличается из-за различия их функционального назначения. Перевязывающие основные нити соединяют все каркасные слои и имеют уработку от 68% до 86%, что в 6-13 раз больше уработки основных каркасных нитей. Последние образуют полотняное переплетение и имеют значение уработки от 6% до 10%.

Нити уточных систем имеют незначительный изгиб, что характерно для большинства многослойных тканей. В МКТО с числом слоев до 10-ти ниш утка распола-™ почти прямолинейно, уработка по утку составляет 0,8-3,34%. При Дальнейшем увеличении числа слоев у уточных нитей появляется дополнительный изгиб за счет

провала каркасных слоев в межслойные полости ткани. При этом урабопса уточных нитей увеличивается до 13,3%.

Исследовался характер изменения поверхностной плотности, толщины и удельной плотности ткани слоисто-каркасной структуры в зависимости от плотности ткани по утку. За оптимальную величину плотности по утку в одном слое МКТО принята плотность ткани по утку 20 нит/дм, так как ткань такого строения позволяет повысить удельную плотность заполнение ткани волокнистым материалом без существенного падения толщины МКТО.

Изучение потребительского спроса на МКТО данной группы слоисто-каркасных тканей показали, что наиболее востребованной является ткань МКТО-12-350 с 7^=0,3+0,5 г/см3. Данный вариант принят к дальнейшему исследованию.

На данную ткань автором разработаны технические условия, в которых она получила условное обозначение «Ткань кремнеземная многослойная облегченная марки МКТО-12» ТУ 5952-018-20524426-2008, где индекс «12» - это условное обозначение толщины ткани в миллиметрах. Предложенная ткань имеет следующие характеристики: ширина - 95±1 см, поверхностная плотность ткани - 4.2±0.3 кг/м " количество нитей в наружном слое на длине 100 мм - основа - 30+1; уток - 22±2.

Представляет интерес деформация и расположение нитей утка в различных слоях, которые находятся под воздействием как каркасных, так и перевязывающих основных нитей. На наружной поверхности уточные нити имеют форму эллипса и лежат горизонтально, а во внутренних слоях при переплетении утка с перевязывающей основой поперечное сечение утка имеет форму близкую к кругу. Анализ срезов МКТО, показал, что на толщину исследуемых тканей оказывают влияние величина поперечника кремнеземных текстурированных нитей, их объемность, коэффициент смятия и высота волны изгиба нитей в ткани. Однако отклонение трансверсального слоя от вертикального расположения оказывает существенное влияние на толщину ткани.

Увеличение угла наклона трансверсального слоя можно достичь за счет изменения нагружения каркасных основных нитей различных слоев МКТО. Технологически это возможно осуществить.За рабочую гипотезу принято предположение, что увеличение заправочного натяжения верхних каркасных слоев по отношению к нижним слоям способствует подъему трансверсального слоя. Условия нагружения изменялись в широких пределах от 90г до 300г.

Результаты исследований показали, что при практически неизменной поверхностной плотности МКТО, толщина ткани может значительно изменяться.

Рост толщины ткани объясняется значительным увеличением угла наклона трансверсального слоя. Он возрастание от 35е до 68° . Одновременно проводилось тензометрическое исследование натяжения основных нитей при выработке данных вариантов ткани. Исследования проводились с помощью автоматизированной информационно-измерительной системы, которая предназначена для контроля параметров выработки многослойных тканей . Данная система состоит из автоматизированного рабочего места оператора (монитор; системный блок; принтер; источник бесперебойного питания), шкафа измерительной электроники (система измерения; блок слаботочной электроники), измерительной подсистемы ( датчик положения главного вала ткацкого станка; датчик натяжения группы нитей основы; датчик натяжения одиночных нитей основы).

Обработка данных проводилась с помощью программы разработанной фирмой Origin LAB . В результате обработки данных получены диаграммы изменения натя-

жения основных нитей, из которых видно, что натяжение каркасных основных нитей в пределах большей части раппорта изменяется не значительно. Всплеск натяжения наблюдается при смене положения ремизок. Натяжение перевязывающих нитей изменяется по повторяющейся закономерности и отражает характер полотняного переплетения.

Максимальное натяжение основных нитей наблюдается при прибое как у каркасных, так и у перевязывающих нитей. Несколько ниже натяжение при зевообразо-вании и незначительное при заступе. Это характер натяжение основных нитей прослеживается во всех вариантах. С увеличением нагружения абсолютная величина натяжений возрастает.

По результатам срезов МКТО установлено, что при нагружении, соотвествую-щем оптимальному варианту угол наклона трансверсального слоя максимальный 68 град. При этом максимальное натяжение составляет 170 сН. Дальнейшее нагружение не приводит к увеличению угла наклона и толщины ткани и осложняет условия выработки ткани.

Для обеспечения надежной технологичности МКТО и выполнения предъявляемых технических требований, кроме использования кремнеземных текстурированных нитей значительной толщины, слоисто-каркасной структуры возможно изменение заправочного натяжения каркасных основных нитей до 190г , что позволяет повысить толщину ткани при неизменных параметрах ее строения, таких как линейная плотность нитей, плотность ткани по основе и утку, количество уточных слоев.

В приложении приведен акт о внедрении результатов работы, материалы по патентам и технические условия изготовления ткани.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате проведенных исследований в данной работе установлено, что использование нетрадиционных видов нитей в сочетании с инновационными ткаными структурами позволяет получить на их основе многослойную кремнеземную ткань облегченного типа с заданными техническими характеристиками.

2. На аналитическом уровне с использованием критерия длительной прочности В.Москвитина доказана возможность изготовления кремнеземных многослойных тканей на отечественном технологическом оборудовании.

3. Предложена методика расчета объёмной плотности МКТО слоисто-каркасной структуры, позволяющей оценить уплотненность ткани в относительных единицах и установлена степень влияния на него диаметра волокна и его количества в комплексной нити, плотностей ткани по основе и по утку, уработки нитей основы и утка. -

4. По результатам испытаний на" разрывной машине с постоянной скоростью деформирования определены вязкоупругие параметры кремнеземных нитей различной линейной плотности на основе функциональных зависимостей наследственной теории вязкоупругости Больцмана - Вольтерра.

5. Проведен расчет параметров напряженно - деформированного состояния нитей основы и утка в зоне формирования ткани, показана степень влияния релаксационных процессов на условия формирования ткани.

6. Проведены экспериментальные исследования натяжения основных нитей на ткацком станке, позволившие предложить оптимальные технологические параметры изготовления кремнеземных облегченных многослойных тканей на отечественном технологическом оборудовании.

7 Определены (сформулированы) технические требования, выполнение которых обеспечивает получение многослойных тканей с высокими тешюфизическими S™ этому способствует использование слоисто-каркасной с^ры кремнеземных текстурированных нитей значительной толщины 540, 720 текс, разре

—rSSSÍ^SrSrS В - 32) и соотношение основных сиетем П-1- 1-2- 2-2) на свойства многослойной кремнеземной ткани облегченного типа (МКТО) 'слоисто-каркасной структуры. Определено рациональное с учетом заданной толщины, поверхностной и объемной плотности ткани, уработки нитей в многослойных тканях, а также ее формоустойчивости

9 Установлено что МКТО-12 отвечает предъявляемым требованиям, техноло гична в ткачестве и обладает необходимой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности 0,113 Вт/м-К) и термосопротивлением (коэффициент термосопротивле-

НИЯ0,110 Пр^ожена последовательность технологических процессов, обеспечивающих получение МКТО заданной толщины (12*1 мм) при снижении объемнои плотности до О 35 г/см3. В технологический план выработай включены процессы кру™ итерирования кремнеземных нитей, процессы подг= основ Х = касных и перевязывающих нитей и их порядок размещения на шпулярнике ткацкого

"^il Разработана технология изготовления слоисто-каркасной многослойной ткани с использованием отечественного оборудования и с учетом свойств кремнеземных текстурированных нитей. Выбраны следующие технологические параметры, скорость ткацкого станка 130 об'1, величина заступа 340°, прибойная полоска -2 мм вь, нос зева увеличен за счет расположения основных нитей на шпулярнике и распреде-

текстурирования кремнеземных аппретированных нитей позволяет увеличить их линейную платность до 720 текс (180 текс> х4) для уточных и основных каркасных нитей, а для перевязывающих основньгх нигеи до 540 текс (180 текс хЗ). Поперечные размеры этих нитеи увеличились в 3,9 раза и в 3 раза

соответственна ^ ^ ^^ набшодалось незначительное снижение одноцикловых характеристик кремнеземных текстурированных нитей, вынутых из

ткани МКТО что подтверждает теоретические исследования.

14 Исследование срезов многослойных тканей слоисто-каркаснои структуры свидетельствует о том, что поперечные сечения нитей каркасных и перевязывающих сГв имею/форму близкой к эллипсу. ТРансвеРсальный плетением перевязывающей основы с утком, имеет угол наклона 29-34 , ™ ¡¡ уменьшению толщины многослойной -ткани. Воздушные промежутки в ткани слои-

сто-каокасной структуры имеют различную конфигурацию и размеры, сто каркасн0истру^ури^ ^ ^q установлен0) что коэффициент смятия нитей основы и утка во внешних слоях многослойных тканей больше, чем во внутренних. Во внешних слоях: Ло.6.= 1,34-1,32, т, = 0,88-0 7; ^Т1-33^ > у 0 85-Ю 77 Во внутренних слоях ^=1,11-0,93, 1,04-0,91; %б-1,01-1,00,

ц м=1,0-0,97. Порядок фазы строения МКТО облегченного типа составил в каркасных слоях'б 5-6 8 ПФС, в перевязывающих слоях 5,9-6,7 ПФС.

Тб Нагружение ¡ерхних каркасных слоев МКТО приводит к увеличению натяжения нитей и значительному воздействию на расположения нитей и слоев в много-

слойной ткани. Угол наклона трансверсального слоя увеличивается от 35 до 68°, что существенно влияет на толщину многослойной ткани. При этом объемное заполнение

составляло 0,35-0,3 г/см3.

17. Учитывая фактор интенсивного взаимодействия основных кремнеземных текстурированных нитей при выработке многослойной ткани, за оптимальное нагру-жение каркасных нитей следует принять следующие: 1-ая и 2-ая нить 0,+02=120+90; 3-я нить 0!+02=90+60; 4-я нить 0,+02=60+30. Это позволяет увеличить угол наклона трансверсального слоя до 68° и получить ткань наибольшей толщины 13,47 мм с минимальным заполнением волокнистым материалом 0,3 г/см .

18. Для исследования свойств и строения МКТО и используемых для их выработки нитей, применялись стандартные методики, а так же информационные технологии в виде программы тЖШМ версия 7.3.2. ЗБ+, позволяющая получить и автоматизировать процесс оформления изображений срезов многослойных тканей. Запись тензограмм натяжения нитей основы осуществлялась автоматизированной информационно-измерительной системой (АИИС), позволяющей повысить оперативность и достоверность результатов.

19. Теплофизические характеристики МКТО показывают, что при кратковременном воздействии температур от 200° до 1200° теплопередача с рабочей поверхности ткани на противоположную не превышает 50%. Сравнение МКТО облегченного типа и многослойных тканей, ранее используемых для получения теплозащитных материалов типа МКТ-6,0 и МКТ-3,0 показало, что их коэффициент теплопроводности больше в 1,3 - 1,7 раза, чем в МКТО ранее применяемых структур. Использование слоисто-каркасной структуры для многослойной ткани из кремнеземных текстурированных нитей повышает коэффициент термосопротивления в 2,8-5,6 раза.

20. Для МКТО рациональной структуры, разработаны ТУ 5952-018-205244262007 «Ткань кремнеземная многослойная облегченная марки МКТО-12». Получен патент РФ на изобретение №2169568 от 27.03.2001. Ткань многослойная и способ ее изготовления.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. И.Ю.Павлихина, С.Д.Николаев, Р.И.Сумарукова. Разработка многослойных кремнеземных тканей разреженных структур. Ж. Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2010, №3

2. И.Ю.Павлихина, Р.И.Сумарукова. Исследование расположения нитей в мно-гогослойной ткани облегченного типа. Ж. Известия вузов. Технология текстильной

промышленности. 2011, №4

3. С.Д.Николаев, И.Ю.Павлихина, Р.И.Сумарукова. Особенности строения и изготовления многослойных кремнеземных тканей разреженных структур. Текстильная промышленность, 2011, №8

4. И.Ю.Павлихина, С.Д.Николаев, Р.И.Сумарукова. Исследование влияния на-гружения основных нитей каркасного слоя на строение и свойства многослойных кремнеземных тканей разреженных структур. Сборник научных трудов, посвященный 100-летию со дня рождения П.В.Власова, 2011 г

5. И.Ю .Павлихина. Оценка напряженности заправки многослойных кремнеземных тканей разреженных структур. Сборник работ аспирантов, 2010, Выпуск 16.

6. И.Ю.Павлихина. Исследование строения и свойств многослойных кремнеземных тканей разреженных структур. Сборник работ аспирантов, 2011, Выпуск 17.

7 И Ю Павлихина, Р.И.Сумарукова. Расчет повреждаемости кремнеземных нитей при переработке их на ткацком станке. Тезисы докладов. Международной научно-технической конференции «ТЕКСТИЛЬ-2010», Москва

8 РИСумарукова, В.Т.Сергеев, И.Ю.Павлихина. Разработка геометрических моделей строения иногослойных тканей. Тезисы докладов. Международной научно-

технической конференции «ТЕКСТИЛЬ-2009», Москва

9 И Ю Павлихина, Р.И.Сумарукова. Технология облегченных многослойных тканей из кремнеземных нитей для стклопластиков. Тезисы докладов. Международной научно-технической конференции «ТЕКСТИЛЬ-2009», Москва

10 И Ю Павлихина, С.Д.Николаев, Р.И.Сумарукова. Разработка многослойных кремнеземных тканей разреженных структур. Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Прогресс-2011», Иваново

11 И Ю Павлихина, РЛ.Сумарукова. Изменение свойств кремнеземных нитей в процессе их подготовки. Тезисы докладов. Международной научно-техническои конференции «ТЕКСТИЛЬ-2011», Москва _

12 И Ю Павлихина. Особенности кремнеземных теплозащитных тканей, тисы докладов международной научно-технической конференции «Поиск-2011», ИваНОВО

13 И Ю.Павлихина, Р.И.Сумарукова, С.Д.Николаев. Анализ строения ткани облегченного тапа. Международная научная конференция «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности», г.Витебск, 2011 -11 г

14 Оптимизация технологии выработки многослойных кремнеземных тканей разреженных структур. Материалы межд.научн-техн. конф. «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности», г.Вигебск, ноябрь 2011/

15 Патент РФ на промышленный образец №40438 от 24.02.1994. Ткань. Павлихина И.Ю., Еровенкова В.И., Сергеев В.Т., Квашнева З.И., Антона М.Ю.

16 Патент РФ на промышленный образец №40439 от 24.02.1994. Ткань. Павлихина И.Ю., Еровенкова В.И., Сергеев В.Т., Квашнева З.И., Антова ШО.

17 Патент РФ на промышленный образец №41039 от 21.07.1994. Ткань. Павлихина ШО, Еровенкова В.И., Сергеев В.Т., Квашнева З.И., Антова ШО.

18 Патент РФ на промышленный образец №41327 от 21.10.1994. Тканый материал. Павлихина И.Ю., Еровенкова В.И., Сергеев В.Т., Квашнева З.ИАтггова М.Ю.

19 Патент РФ на промышленный образец №2169568 от 27.03.2001. Ткань многослойная и способ ее изготовления. Еровенкова В.И., Антова М.Ю., Павлихина И.Ю.

Подписано в печать 16.04.12 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,00 Заказ 143 Тираж 80 ФГБОУ ВПО «МГТУ имени А.Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

61 12-5/2498

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

/

Ь

ПАВЛИХИНА ИРИНА ЮРЬЕВНА

РАЗРАБОТКА МНОГОСЛОЙНЫХ КРЕМНЕЗЕМНЫХ ТКАНЕЙ РАЗРЕЖЕННЫХ СТРУКТУР

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Николаев С.Д.

Москва 2012 г.

Содержание

Введение 4

1. Литературный обзор. 8

1.1. Работы, связанные с особенностями строения и технологии выработки многослойных тканей технического назначения 8

1.2. Работы, связанные с установлением взаимосвязи между технологическими параметрами изготовления тканей и параметрами их структуры 33

1.3. Работы по оценке напряжённости заправки ткацкого станка Выводы по главе 37 Цели и задачи исследования 40

2. Теоретические исследования. Прогнозирование структуры ткани и напряженности ее изготовления на ткацком станке. 42

2.1. Прогнозирование напряженности заправки ткацкого станка. 42

2.2. Расчет вязкоупругих параметров используемых нитей 44

2.3. Взаимосвязь деформации и натяжения основных и уточных нитей на ткацком станке 52

2.4. Расчет объемной плотности ткани 63 Выводы по главе 66

3. Экспериментальные исследования. 67

3.1. Технические требования 67

3.2. Технология выработки многослойной кремнеземной ткани облегченного типа (МКТО) 70

3.3. Исследование физико-механических свойств нитей в процессе подготовки и после ткачества 78

3.3.1. Свойства используемых нитей 78

3.3.2. Изменение свойств кремнеземных нитей в процессе подготовки и ткачества 79

3.4. Исследование свойств многослойных кремнеземных тканей разреженных структур (МКТО) 93

3.5. Расположение нитей в многослойной ткани и его влияние на толщину ткани 107

3.5.1. Определение геометрических размеров нитей и их деформации 107

3.5.2. Исследование влияния нагружения каркасных нитей основы на толщину ткани 113

3.6. Исследование натяжения различных систем основных нитей многослойных тканей разреженных структур (МКТО) 120

Выводы по главе 144

Общие выводы 147

Список использованной литературы 152

Приложения 160

Введение

Технический прогресс в большинстве отраслей гражданского и военного машиностроения: авиационной, космической, автомобильной, судостроительной промышленности, в транспортном машиностроении и ряде других отраслей - определяется в значительной степени заменой традиционных металлических конструкций на конструкции из композиционных материалов.

За истекшее десятилетие аналогичные устойчивые тенденции сложились в сфере промышленного и гражданского строительства, ставшей в развитых зарубежных странах столь же крупным потребителем композиционных материалов, что и высокотехнологичные сектора машиностроения.

Расширение спроса на изделия и конструкции из композиционных материалов приводит к радикальным технологическим изменениями в отраслях-производителях стеклопластиков. Они переходят к качественно новым технологиям, использующим совершенно иные виды производственного оборудования взамен традиционных, связанных с механической обработкой композитов. Так же это связано с применением новых видов волокон и нитей, с переходом к использованию армирующих материалов новых структур.

Расширение спроса на композиционные материалы вызывает технологические изменения так же в отраслях- производителях армирующих материалов.

Переход к использованию многослойных тканей открывает путь к качественно новым инновационным технологиям, как в применении сырья, так и в производстве изделия, используемых для создания композиционного материала.

Для России вопрос изготовления технического текстиля, особенно многослойных тканей, является стратегическим. Бытовой текстиль можно купить в других странах, но современный технический текстиль необходимо

4

разрабатывать самим. Поэтому задача производства технического текстиля всегда актуальна.

Многослойные ткани из стеклянных волокон достаточно давно используются как армирующий материал для композиционных материалов конструкционного назначения с целью получения высокой механической прочности, низкой теплопроводности, термо- и химической стойкости, хорошими диэлектрическими и звукоизоляционными свойствами.

Наряду с этим в настоящее время широкое применение получили многослойные ткани в качестве теплоизоляционных материалов. Так, например, многослойные кремнезёмные ткани используются как высокоэффективная защита и теплоизоляция, которая работает при длительной многоцикловой нагрузке при температуре до 1100°С, а в условиях кратковременных тепловых нагрузках эти ткани работают до 1400°С.

Однако их значительная масса, необходимость пропитки связующим приводит к высоким ценам и использованию в областях специального назначения.

В металлургической промышленности стоит задача снятия термических напряжений в отливках металла больших объёмов. Постепенное равномерное остывание металла позволяет исключить микротрещины в структуре металла, тем самым повысить его качественные характеристики. Для обеспечения этого процесса предложено применение покрывал из теплозащитных материалов, толщина и количество которых может регулироваться в зависимости от температурных показателей отливок металла. До недавнего времени в металлургической промышленности России использовались каолиновые маты. Однако, их применении ограничивает срок службы .

Взамен этим каолиновым матам предлагается использование многослойных кремнезёмных тканей, которые обеспечат не только надёжную теплозащиту объекта, но и будут иметь низкую объёмную

5

плотность, долговечность при эксплуатации. Такие ткани имеют значительную толщину от 10 до 50 мм при наличии воздушных пространств в строении тканей и используются без пропитки связующим.

Многослойные ткани слоисто-каркасной структуры отвечают требованиям по теплозащите и являются конечным продуктом в технологической цепочке. Всё это характеризует новый подход к решению задачи расширения ассортимента многослойных тканей теплозащитного

назначения и области их применения.

Кремнезёмные нити, обладая высокой прочностью, являются хрупкими неустойчивыми к истирающим нагрузкам, имеют недостаточное разрывное удлинение 1 - 2%, что вызывает технологические трудности при их применении для получения многослойных тканей.

Многослойные кремнезёмные ткани слоисто-каркасной структуры формируются из кремнезёмных текстурированных нитей различных систем, которые получили название каркасной и перевязывающей. Их роль, расположение в объёме ткани и, особенно, уработка резко различаются. Технология их выработки на отечественном оборудовании изучено недостаточно.

Данная работа посвящена разработке новых облегчённых кремнезёмных многослойных тканей технического назначения и технологии их изготовления на отечественном оборудовании, исследованию параметров строения и свойств тканей технического назначения.

Научная новизна работы

- доказательство возможности изготовления исследуемых тканей на основе использования критерия прочности В.В.Москвитина;

- расчёт параметров напряжённо-деформированного состояния нитей основы и утка на ткацком станке на основе наследственной теории вязкоупругости;

- построение геометрической модели строения облегчённой кремнезёмной многослойной ткани слоисто-каркасной структуры;

- разработка требований к кремнезёмным тканям, используемых в

технических целях;

- определение уровня натяжения нитей основы каркасных и перевязывающих слоёв облегчённой кремнезёмной многослойной ткани, позволяющих оптимизировать структуру тканей.

Практическая значимость работы

- разработка новых облегчённых кремнезёмных многослойных тканей, обладающих необходимыми свойствами;

- исследование основных свойств и параметров строения исследуемых тканей, что позволяет прогнозировать их дальнейшее использование в

различных конструкциях;

- анализ напряжённо-деформированного состояния заправки ткацкого станка, исследование натяжения основы в различные периоды

тканеформирования;

- разработка рекомендаций по изготовлению исследуемых тканей на

отечественном ткацком станке;

- внедрение результатов работы на ЗАО «ТРИ-Д».

1.Литературный обзор

1.1. Работы, связанные с особенностями строения и технологии выработки многослойных тканей технического назначения

Начиная с 5 Ох годов прошлого столетия в нашей стране и за рубежом наблюдается интенсивное развитие технологии тканей технического и специального назначения, в том числе многослойных тканей из стеклянных, кремнезёмных, кварцевых, углеродных и других нитей нетрадиционных видов. Использование их для получения текстильных материалов и композитов наделяет последние комплексом свойств, превышающих природные.

В настоящее время трудно представить, что современное машиностроение, электро-, приборо- и судостроение, электронная, авиационная и космическая техника, металлургия, атомная и ряд других отраслей промышленности могут развиваться без использования композитных материалов и, в частности, стеклопластиков.

Десятки фирм во многих технически развитых странах создали научно-исследовательские центры и производственные мощности по проектированию и выработке различных стеклянных волокон, нитей, лент, однослойных и многослойных тканей разнообразных структур. К их разработкам и исследованиям привлечены крупные научные силы многих учебных заведений и исследовательских институтов.

В нашей стране на базе кафедры ткачества МТИ под руководством проф.Розанова Ф.М. и ведущих исследователей доц. Сурниной Н.Ф., доц. Жупиковой Д.М., Селиванова Г.И. и др. был создан опытный участок для разработки технологии и строения технических тканей. Результаты исследований отражены в ряде отчётов [2.1-2.12;2.13] и статей [4.2,4.3].

В работе [2.6] решается задача по изготовлению ткани толщиной от 3 до 12 мм из кручёных нитей различного вида волокон: кремнезёмных, асбестовых и лавсановых. Авторы предлагают использование многослойных переплетений (от 6 до 10 слоёв) и отмечают, что их выбор зависит от

8

назначения ткани. Судя по виду используемых нитей, данные ткани могут служить наполнителем теплозащитных пластиков. Переплетение характеризуется участием в соединении слоев всех нитей основы, кроме двух внешних слоев. По классификации Селиванова Г.И. [2.1], они могут соответствовать 2-ой группе III класса.

Авторы отмечают, что в процессе перематывания и кручения, ленточного снования и ткачества, наблюдалась высокая обрывность основных нитей. Это объяснялось низким качеством кремнезёмных нитей, у которых было большое число узлов, расщеплений, разрывов отдельных стекловолокон. Процесс ткачества проводился с 2-х навоев, по краям ткани введены басовые проволочные нити, специальное устройство фиксировало положение опушки ткани в вертикальном и горизонтальном положении. Переоборудование станка позволило констатировать, что процесс ткачества прошел удовлетворительно.

Возможность изготовления многослойных тканей специального назначения из вискозных и кремнезёмных нитей подтверждается результатами научно-исследовательской работы [2.5], проведённой в МТИ. При проектировании за основу было принято трёхслойное переплетение, построенное «на базе полотняного, сатинового и саржевого переплетений с последовательной связью слоёв», которое по мнению авторов «обеспечивает устойчивость структуры ткани при малом заполнении». О прочности слоёв, которое необходимо для многослойных тканей специального назначения сказано так же в работе [3.1], где рассматривались различные способы соединения слоёв многослойных тканей. Последовательное соединение слоёв выбраны как наиболее эффективное.

В работе [2.5] приведены заправочные рисунки многослойных тканей, отличающихся базовым переплетением, а также тензограммы натяжения основных нитей разных слоёв. Авторы обращают внимание на сравнительно небольшое заправочное натяжение основных нитей (10-15 г/нить) и отмечают максимальное его значение в период образования верхней части

9

зева (100-150 г/нить). Как и следовало ожидать, наибольшее натяжение испытывают нити, пробранные в первые ремизки.

Из приведенных в работе [2.5] тензограмм видно, что исследуемый параметр имеет большие колебания: от значений близких к нулю (в момент, когда нить основы лежит во внутренних слоях и не образует основное перекрытие) до 150 г/нить в вершинах связи с утком. Еще более резкие колебания натяжения основных нитей (от 211 до 50 г/нить) отмечены в работе [2.6]. Полученные данные подтверждаются и другими исследователями [3.2;4.4;4.5], особенно при использовании рядовой проборки нитей в ремиз [2.3;3.3]. Все это свидетельствует о сложности процесса выработки многослойных тканей, особенно из стеклянных нитей.

В работе МТИ [4.3], посвященной проектированию многослойных тканей из стеклонитей, приведены формулы для расчёта толщины этих тканей:

8т=(п-\Мо.Чо+<1у.Чу) + 2.<1о.Чо+<1у-Чу-ку 1-1.1

где: 6ТК. - толщина многослойной ткани, мм п - число слоёв ткани ё0 и с1у- диаметр нити основы и утка, мм

и qy- коэффициенты смятия нитей основы и утка; Ьу- высота волны изгиба утка, мм.

В тезисах докладов научно-технической конференции [4.1] в эту формулу введён коэффициент Кс, учитывающий смещение уточных нитей в слоях многослойной ткани. Для приближённого определения поправочного коэффициента кафедрой ткачества рекомендуется зависимость:

Кс =

2 1

{d0■q0+dy^qy) - —

^ л /

Л у

¿о-Уо+^у'Уу где: Пу - плотность по утку в одном слое, н/дм.

1.1.2

Необходимо отметить, что на наличие смещения уточных нитей в многослойных тканях, то есть на их отклонение от вертикального расположения строго друг под другом, обращают внимание и другие исследователи. Этот факт подтверждается многочисленными микросрезами стеклянных, кремнезёмных и кварцевых многослойных тканей технического назначения, представленных в работе [3.1;3.2;3.4].

Следует отметить, что в работах [3.2;4.4;4.3] кафедры ткачества МТИ представлен большой практический материал в виде диаграмм разрыва нитей до и после ткачества, диаграмм разрыва опытных образцов многослойных тканей, таблиц физико-механических свойств, тензограмм натяжения основных нитей, микросрезов трёхслойных кремнезёмных и вискозных тканей, где впервые обращено внимание на эллипсообразную форму поперечника стеклянных нитей и их большое смятие, но в работе не дано числовое выражение этих значений.

Полученные аналитические зависимости и практические результаты, несомненно, представляют интерес для исследователей, работающих в области многослойного ткачества. Однако многообразие новых структур многослойных тканей специального назначения требует не только использование предыдущего опыта, но и новых разработок и исследований.

В работах [2.2-2.4] кафедры ткачества МТИ особое внимание уделяется технологии изготовления многослойных тканей из стеклянных, асбестовых, вискозных и других нитей. Отмечается, что стеклянная нить, судя по кривым составных частей деформации, при нагрузке до 1 кг работает как упругое тело и не имеет остаточных деформаций. Следовательно, технологический процесс ткачества надо проводить при небольших нагрузках и на специальном оборудовании. Эти и другие рекомендации нашли отражение в технологическом задании на проектирование ткацкого станка для выработки тяжёлых многослойных тканей толщиной от 3 до 15 мм. Авторы предложили следующее: - снизить скорость станка до 80-120 об/мин;

- использовать три навоя, с которых отпуск и подача основы должны осуществляться самостоятельными основными тормозами или регуляторами, при этом каждый регулятор должен обеспечивать заправочные натяжения основы от 50 до 250 г/нить, а при прибое - до 500 г/нить;

- зевообразовательный механизм - каретка на 24 ремизки с жёсткой связью (типа станка Рюти);

- батан утяжелённой конструкции, позволяющий вырабатывать ткань до 12 кг;

- хромирование всех направляющих деталей станка (валиков, галев, зубьев берда и других);

- разработать приспособление, обеспечивающее постоянную ширину ткани;

- способ прокладывания уточной нити рапирой или микрочелноком с бобин массой до 3 кг.

Предложенное технологическое задание включает все необходимые разделы. Вместе с тем отдельные его положения являются спорными. Например, предложенный способ прокладывания утка, при котором современным бесчелночным ткачеством пока не обеспечивается непрерывное расположение утка в многослойной ткани.

Данное технологическое задание не нашло конструктивного решения, хотя отд