Исследование и прогнозирование ползучести иглопробивных нетканых материалов
На правах рукописи
Киселев Сергей Владимирович
ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОЛЗУЧЕСТИ ИГЛОПРОБИВНЫХ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Специальность: 05.19.01 - материаловедение производств текстильной и легкой промышленности
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2007
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна"
Научные руководители: доктор технических наук,
профессор
Сталевич Аркадий Михайлович
доктор технических наук,
профессор
Макаров Авинир Геннадьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор
Шляхтенко Павел Григорьевич
кандидат технических наук,
доцент
Романова Алла Александровна
Ведущая организация: ООО институт технических сукон,
г. Санкт-Петербург
Защита диссертации состоится "25" декабря 2007 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.236.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна" по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18, ауд.241.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета, текст автореферата размещен в интернете на сайте http://www.sutd.ru .
Автореферат разослан "23 " ноября 2007 г.
Учёный секретарь диссертационного совета А.Е. Рудин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. На современном этапе развития материаловедения производств текстильной и легкой промышленности, в связи с появлением и использованием новых материалов, особое значение уделяется всестороннему исследованию их механических свойств, а также прогнозированию деформационных процессов. Такого рода исследования способствуют разработке и производству новых видов материалов, в том числе и нетканых, обладающих заданными свойствами. Иглопробивные нетканые материалы занимают определенное место среди материалов текстильной и легкой промышленности. Выделение указанных материалов в особую группу продиктовано особенностью их макроструктуры, которую, в отличие от большинства других текстильных материалов, нельзя назвать упорядоченной. В то же время, целесообразность исследования механических свойств нетканых материалов определяется широкой областью их применимости. Технология производства нетканых материалов позволяет использовать все виды текстильного сырья, в том числе низких сортов, короткоштапельные и непрядомые волокна, а также волокна, регенерированные из лоскута и тряпья, что выгодно экономически отличает их от других видов текстильных материалов.
Достаточно большой группой нетканых материалов являются иглопробивные нетканые материалы. Некоторые области их применения: земляное, дорожное и железнодорожное строительство, строительство сооружений, аэропортов, дамб, набережных, туннелей, кровли, дренажа, искусственного дерна, теннисных кортов. Иглопробивные нетканые материалы применяются для защиты берегов, для сельскохозяйственных целей, в качестве арматуры в строительных материалах, в машиностроении - для деталей оборудования, покрытия труб, литых элементов, тепло- и звукоизоляции, фильтров, бумагоделательных сукон, полировального и абразивного фетра и т.д.
Для производства иглопробивных нетканых материалов используются все известные и создаваемые волокна, многие дисперсные, сыпучие, связующие вещества. Отдельно и в смесках применяются натуральные, искусственные, синтетические, минеральные, стеклянные волокна. Из синтетических волокон наибольшее применение находят полиамидные, полиэфирные, полипропиленовые волокна. Из натуральных волокон применяют хлопок и шерсть, дающую прекрасные результаты в иглопробивной технологии. Из искусственных волокон используют вискозу. Применяют различные новые и восстановленные волокна, моноволокна, филаментные нити.
Разработка методик исследования механических свойств и прогнозирования деформационных процессов иглопробивных нетканых материалов является актуальной задачей, решение которой способствует выпуску нетканых материалов, обладающих требуемыми вязкоупругими свойствами.
Цель работы состоит в разработке комплекса методик по определению характеристик ползучести и прогнозированию деформационных процессов иглопробивных нетканых материалов, а также в компьютеризации предложенных методик.
Основными задачами исследования являются:
– разработка методики количественного описания ползучести иглопробивных нетканых материалов на основе математического моделирования;
– разработка методик расчетного прогнозирования деформационных процессов для различных условий эксплуатации иглопробивных нетканых материалов, в частности, для процесса с циклическим чередованием различной нагрузки;
- модернизация научно-исследовательской аппаратуры для проведения экспериментов по изучению деформационных свойств иглопробивных нетканых материалов;
- разработка программного обеспечения на основе предложенных методик количественного исследования ползучести, а также расчетного прогнозирования деформационных процессов иглопробивных нетканых материалов.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования явились классические и современные научные представления, разработки и положения, применяемые в текстильном материаловедении с использованием закономерностей, изложенных в физике, физико-химии полимеров, механике и термодинамике. Используются также различные математические методы (интегральные уравнения, уравнения математической физики, численные методы, методы вычислительной математики и информатики и др.).
Научная новизна работы состоит:
- в разработке математической модели ползучести иглопробивных нетканых материалов;
- в разработке методик прогнозирования ползучести и деформационно-восстановительных процессов иглопробивных нетканых материалов;
- в исследовании разложения полной деформации и механической работы деформирования иглопробивных нетканых материалов на упругую и вязкоупруго-пластическую компоненты;
- в разработке методики определения спектра запаздывания иглопробивных нетканых материалов в рамках разработанной математической модели ползучести;
- в разработке программного обеспечения, соответствующего методикам численного определения параметров ползучести, а также прогнозирования ползучести и деформационно-восстановительных процессов иглопробивных нетканых материалов.
Практическая значимость и реализация результатов работы состоят в том, что:
- разработана измерительная аппаратура по исследованию деформационных свойств иглопробивных нетканых материалов (Патент на изобретение № 2251094 от 27.04.2005 "Устройство для испытания волокнистых материалов на растяжение", Патент на изобретение № 2255323 от 27.06.2005 "Устройство для испытания нитей на растяжение");
- разработано программное обеспечение для исследования механических свойств иглопробивных нетканых материалов и прогнозирования деформационных процессов (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006612727 от 03.08.2006 "Прогнозирование процессов растяжения полимерных материалов при переменной температуре", Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006612728 от 03.08.2006 "Прогнозирование процессов обратной релаксации полимерных материалов при переменной температуре", Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006612729 от 03.08.2006 "Определение параметров наследственных уравнений нагруженных состояний полимерных материалов при переменной температуре", Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006612730 от 03.08.2006 "Прогнозирование деформационно-восстановительных процессов полимерных материалов при переменной температуре");
- даны практические рекомендации по целенаправленному отбору образцов иглопробивных нетканых материалов, имеющих различное применение, в зависимости от их технических характеристик (поверхностной плотности, толщине, количеству проколов на единицу площади и др.) на основе спектрального моделирования ползучести.
Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре сопротивления материалов Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна при чтении курсов "Деформирование ориентированных полимеров", "Релаксационные явления в конструкционных материалах" и "Механика химических волокон и композитов", при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Н.Новгород, 2006), межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов: "Дни науки - 2005" и "Дни науки - 2006" (СПГУТД), а также на научных семинарах кафедры сопротивления материалов СПГУТД.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, среди которых два патента на изобретение и четыре свидетельства об официальной регистрации программ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы (174 наименований) и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 147 страницах машинописного текста, иллюстрировано 42 рисунками и содержит 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приводится обзор литературных источников и патентной литературы по вопросам исследования свойств иглопробивных нетканых материалов, как в Российской Федерации, так и в ближнем и дальнем зарубежье.
В нашей стране проблемой разработки, технологии производства и применения нетканых материалов занимались Бершев Е. Н., Нижебицкий О.Н., Барабанов Г. Л., Казарновский В. Д., Перевозников Б. Ф. и др.
В обзоре литературы отмечается, что иглопробивные нетканые материалы перспективны для повышения эффективности и снижения стоимости работ, например, при строительстве дорог, сооружений различного назначения и т.п. Поэтому необходимо развитие научных концепций и выработка практических рекомендаций по технологическому отбору материалов, созданию новых и совершенствованию существующих структур иглопробивных нетканых материалов. В первую очередь это относится к иглопробивным нетканым материалам на основе синтетических волокнистых отходов, которые представляют наибольший технико-экономический и экологический интерес в различных областях промышленного строительства.
В главе 2 предложены методики исследования механических свойств иглопробивных нетканых материалов. Указанные методики опробованы на типичных образцах такого материала - иглопробивных полотнах из полипропиленовых волокон "Пинема" (производства ОАО "Пинема", Беларусь, г. Пинск) с различными техническими характеристиками (поверхностной плотностью, толщиной, числе проколов на единицу площади, разрывными характеристиками и т.д.), которые приведены в табл.1.
Для проведения экспериментальных исследований в режиме ползучести были разработаны приборы: "Устройство для испытания волокнистых материалов на растяжение" (Патент на изобретение № 2251094 от 27.04.2005) и "Устройство для испытания нитей на растяжение" (Патент на изобретение № 2255323 от 27.06.2005). Указанные устройства являются модернизацией релаксометров деформаций и предназначены для проведения экспериментальных исследований в режимах, как простой ползучести (при постоянной нагрузке), так и в режимах многоступенчатых деформационно-восстановительных процессов с чередованием нагрузки и разгрузки. Универсальные зажимы, устанавливаемые на этих устройствах, позволяют проводить исследования не только на образцах нитей, но и на образцах тканей и нетканых материалов.
В результате проведенных серий экспериментов, для рассматриваемых материалов (табл.1) были получены "семейства" кривых ползучести (рис.1), которые перестроены в "семейства" кривых податливости (рис.2) на основе формулы
, (1)
| где |  | - | деформация, зависящая от растягивающего усилия  и времени  ; |
 | - | податливость; | |
 | - | площадь поперечного сечения образца; | |
 | - | остаточная деформация, определяемая по деформационно-восстановительному процессу (рис.3, 4). |
Таблица 1. Характеристики иглопробивных нетканых материалов "Пинема"
| Характеристики | Ед. изм. | Пинема-160 | Пинема-320 | Пинема-400 |
| Поверхностная плотность (ГОСТ Р 50277-92). | г/м2 | 160 | 320 | 400 |
| Толщина при нагрузке 2 кПа (ГОСТ Р 50276-92). | мм | 1,9 | 3,7 | 4,6 |
| Допустимые отклонения по толщине (ГОСТ Р 50276-92) | % | ± 15 | ||
| Прочность при растяжении (ГОСТ 15902) | кН/м | 2,5 | 5,6 | 7,8 |
| Удлинение при разрыве (ГОСТ 15902.3): - продольное направление; - поперечное направление. | % | 115 130 | 115 130 | 125 140 |
| Удлинение при максимальной нагрузке (ГОСТ 15902.3): - продольное направление; - поперечное направление. | % | 95 115 | 95 115 | 100 115 |
| Усилие продавливания (ГОСТ 15902.3); Условный класс прочности по усилию продавливания. | Н - | 650 1 | 1500 2 | 1850 3 |
| Количество проколов на м2 | шт. | 106 | 2·106 | 3·106 |
Микроструктура иглопробивного нетканого материала существенным образом отличается от микроструктуры синтетических нитей и тканей. Поэтому, для прогнозирования ползучести и деформационно-восстановительных процессов иглопробивных нетканых материалов нельзя без соответствующего анализа и расчетной проверки использовать математические модели, успешно применяемые для прогнозирования ползучести и деформационно-восстановительных процессов нитей и тканей.
 |  | ||
Рисунок 1. "Семейство" кривых ползучести (Пинема-160, линии - эксперимент, точки - расчет по математической модели (2) - (6)) | Рисунок 2. "Семейство" кривых податливости (Пинема-160, линии - эксперимент, точки - расчет по математической модели (2) - (6)) | ||
 |  | ||
Рисунок 3. Определение остаточной деформации | Рисунок 4. Зависимость остаточной деформации | ||
по деформационно-восстановительному процессу с полной разгрузкой для растягивающего усилия 
(Пинема-160) 
от величины растягивающего усилия 
(Пинема-160, Пинема-320) 