Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о процессах массопереноса и механических свойствах волокнистых материалов 13
1.1. Проницаемость пористого материала. Проницаемость нетканых иглопробивных материалов 15
1.2. Механические характеристики иглопробивных материалов и основные способы их модификации 23
1.3. Волокнистые сорбенты на основе нетканых иглопробивных материалов 30
2. Объекты и методы исследования 34
2.1. Объекты исследования 34
2.2. Методы исследования 36
3. Иглопробивные материалы с увеличенным сопротивлением деформации . 47
3.1. Механизм деформации иглопробивного материала. Технологические основы получения высокопористых материалов с увеличенным сопротивлением сжатию и растяжению . 48
3.2. Получение многослойных материалов . 65
3.3. Сопротивление деформации растяжения иглопробивных и обработанных материалов из полиэфирного волокна 93
3.4. Сопротивление деформации растяжения обработанных материалов с бикомпонентным волокном . 106
3.5. Моделирование процесса растяжения иглопробивных и обработанных материалов . 113
3.6. Сопротивление деформации сжатия иглопробивных и обработанных материалов 129
3.7. Деформация иглопробивных и обработанных материалов из полиэфирных волокон в условиях действия постоянной нагрузки .. 148
3.8. Структура и механические свойства материалов с экспериментальным волокном 155
4. Фильтрующие иглопробивные и обработанные материалы 173
4.1. Воздухо- и водопроницаемость иглопробивных и обработанных материалов . 176
4.2. Использование подхода д'Арси для моделирования процесса фильтрации воды и воздуха в иглопробивных и обработанных материалах 189
4.3. Фильтрующие иглопробивные и обработанные материалы 210
4.4. Формирование пористости иглопробивных и обработанных материалов 224
5. Волокнистые сорбенты 249
5.1. Волокнистые сорбенты с оптимальной структурой 251
5.2. Сорбционные свойства обработанных материалов с бикомпо-нентным волокном 262
5.3. Моделирование процесса сорбции жидкостей иглопробивными и обработанными материалами . 266
5.4. Волокнистые сорбенты с улучшенными механическими свойствами 279
5.5. Сорбция солей из растворов 285
6. Материалы с устойчивым ворсом 295
6.1. Структура ворсованных материалов 297
6.2. Обработанные ворсованные материалы 304
6.3. Фильтрующие ворсованные материалы 311
Заключение 323
Список литературы . 326
Приложение 335
- Механические характеристики иглопробивных материалов и основные способы их модификации
- Сопротивление деформации растяжения иглопробивных и обработанных материалов из полиэфирного волокна
- Деформация иглопробивных и обработанных материалов из полиэфирных волокон в условиях действия постоянной нагрузки
- Использование подхода д'Арси для моделирования процесса фильтрации воды и воздуха в иглопробивных и обработанных материалах
Введение к работе
Актуальность проблемы. Иглопробивные нетканые полимерные материалы представляют собой высокопористые волокнистые тела с системой сообщающихся пор. Такая структура обеспечивает фазовую проницаемость газов и жидкостей, что является основой процессов фазового переноса, таких как фильтрация газов и жидкостей, а также сорбция жидкостей. Использование иглопробивных материалов в процессах переноса газов и жидкостей ограничено их низким сопротивлением растяжению и сжатию, которое в еще большей степени уменьшается при увлажнении материала или контакте с жидкостью. Растяжение материалов снижает эффективность фильтрации и уменьшает их сорбционную емкость, а при сжатии материала, как правило, уменьшается проницаемость.
Кроме того, эффективность фильтрации воздуха достигается при
использовании материалов с относительно высокой поверхностной
плотностью, которые не обеспечивают необходимую в большинстве случаев
эффективность фильтрации. По сравнению с фильтрацией воздуха
использование иглопробивных материалов для фильтрации воды приводит к
снижению эффективности очистки. Высокая поверхностная плотность
увеличивает аэродинамическое и гидравлическое сопротивление и приводит к снижению эффективности фильтрации. Улавливание твердых частиц в процессе фильтрации воздуха и воды происходит в объеме материалов, что ограничивает их регенерацию известными техническими методами и повторное использование.
Для поглощения различных жидкостей используется большое число
иглопробивных материалов, отличающихся структурными
характеристиками, составом и сорбционной емкостью. Иглопрокалывание не
обеспечивает получение материалов с необходимым сопротивлением
деформации и эффективностью фильтрации, для этой цели используются
различные способы дополнительной обработки. Известные способы
модификации структуры и механических свойств иглопробивных
материалов приводят к снижению пористости, что влечет уменьшение проницаемости и сорбционной емкости. Анализ традиционных рецептурных и технологических подходов к модификации иглопробивных материалов показывает, что их возможности для получения высокопористых материалов с увеличенным сопротивлением деформации ограничены.
Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью разработки научно обоснованных технологических решений, внедрение которых обеспечит получение высокопористых иглопробивных материалов с повышенным сопротивлением деформации в сухом и влажном состояниях. Цель работы. Разработка и научное обоснование технологических решений по формированию пористой структуры иглопробивных нетканых материалов из синтетических полимерных волокон, обеспечивающих реализацию комплекса физико-химических и эксплуатационных свойств в различных условиях процессов массопереноса.
Общие подходы к решению сформулированной проблемы связаны с применением синтетических полимерных волокон нового поколения и разработкой специального оборудования, нивелирующих в значительной степени рецептурные и технологические недостатки традиционных способов обработки иглопробивных материалов.
Научная новизна диссертационной работы определяется установлением механизма деформации иглопробивных и модифицированных материалов, а также общих закономерностей процессов массопереноса в высокопористых волокнистых телах. Сформулированные научные и технологические проблемы решены при использовании материалов переменного состава, формирование пористости которых достигалось разнообразными способами модификации и применением волокон различной химической природы, разных размеров и формы.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие основные научные вопросы:
определение механизма деформации растяжения и сжатия иглопробивных материалов и его зависимость от состава, режимов иглопрокалывания и способа модификации;
обоснование технологических основ получения высокопористого иглопробивного материала с увеличенным сопротивлением деформации сжатия и растяжения;
определение закономерностей формирования пористой структуры нетканых материалов в зависимости от линейной плотности волокон, режима иглопро-калывания и различных видов обработки;
моделирование влияния пористой структуры иглопробивных и модифицированных материалов на сопротивление деформации и проницаемость;
- оценка зависимости эффективности фильтрации воздуха и воды от пори
стой структуры иглопробивных и модифицированных материалов;
- оптимизация пористой структуры волокнистых сорбентов, обеспечивающая
достижение максимальной сорбционной емкости;
- моделирование сорбционной емкости волокнистых сорбентов известной
пористой структуры;
определение одно- и многофазового переноса воздуха и воды в ворсованных иглопробивных материалах;
определение влияния экспериментальных волокон на механические свойства и фильтрацию воды и воздуха иглопробивными материалами;
В диссертационной работе изложены научно обоснованные технологические решения формирования пористой структуры нетканых материалов с заданным комплексом физико - механических свойств, внедрение предложенных решений в производство вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение обороноспособности. Научная новизна работы:
- предложены, сформулированы и научно обоснованы технологические ре
шения, обеспечивающие изготовление материалов с увеличенным сопротив
лением деформации при регулируемом формировании пористой структуры в
зависимости от условий процессов массопереноса, внедрение которых позволило получить значительный экономический эффект;
реализован способ получения материалов с градиентом пористости по толщине и регулируемым формированием пористости в поверхностном модифицированном слое и объеме;
предложен и обоснован механизм растяжения и сжатия иглопробивных нетканых материалов и его зависимость от эффективности прокалывания и технологии модификации;
предложен параметр для оценки сопротивления растяжения и сжатия иглопробивных и обработанных материалов;
разработана модель, связывающая сопротивление деформации растяжения и сжатия с пористостью иглопробивных и обработанных материалов;
предложен механизм течения воздуха и воды в материалах, учитывающий дискретное распределение плотности упаковки волокон, и его зависимость от структуры, формируемой в процессе иглопрокалывания и модификации;
разработана модель для прогнозирования воздухопроницаемости и водопроницаемости иглопробивных материалов, изготовленных из волокон различной линейной плотности, без большинства ограничений, присущих известным моделям аналогичного назначения;
обосновано применение подхода дАрси для прогнозирования скорости фильтрации воздуха в иглопробивных и модифицированных материалах и разработана модель для ее расчета;
- реализован способ, обеспечивающий в процессе фильтрации воздуха и воды
накопление осадка на модифицированной поверхности материалов, что обес
печивает их регенерацию и повторное использование;
разработана модель для прогнозирования сорбционной емкости иглопробивных и модифицированных материалов;
исследована деформация ворса и предложен способ увеличения его сопротивления сжатию;
исследованы и определены особенности процесса переноса воздуха и воды в ворсованных материалах из синтетических волокон;
- определены и оптимизированы физико–механические свойства иглопро
бивных материалов, изготовленных при использовании фибриллированного
полипропиленового волокна.
Основные защищаемые положения.
механизм растяжения и сжатия иглопробивных и модифицированных материалов различных способов производства;
зависимость сопротивления деформации и проницаемости иглопробивных и модифицированных материалов от их пористой структуры;
подход для описания деформационных характеристик иглопробивных и обработанных материалов с различными типами связей между волокнами;
обоснование использования капиллярной модели для описания характеристик пор высокопористых волокнистых материалов;
параметры для оценки сопротивления деформации иглопробивных и обработанных материалов и структуры пор волокнистых материалов;
общий подход к описанию течения жидкостей и газов в низко- и высокопористых телах различной природы;
закономерности фильтрации воды и воздуха в иглопробивных и модифицированных материалах с градиентом плотности по толщине;
новый класс материалов, сочетающих высокую пористость с увеличенным сопротивлением деформации в сухом и влажном состояниях;
механизм сорбции жидкостей материалами и его зависимость от пористой структуры и природы жидкости;
- волокнистой сорбент с оптимизированной структурой, обеспечивающей
высокую сорбционную емкость;
- способы формирования заданной пористой структуры материалов при ва
рьировании их состава и использовании различных способов обработки;
-технологические принципы получения иглопробивных материалов с увеличенным сопротивлением растяжению и сжатию;
- способ получения многослойного материала с регулируемой пористостью в
модифицированном слое и объеме;
- получение иглопробивных материалов при использовании новых фибрил-лированных волокон и свойства таких материалов. Практическая значимость.
На базе ОАО «Монтем» (Московский завод нетканых материалов) внедрена разработанная автором технология модификации иглопробивных материалов (акты внедрения прилагаются). Налажен промышленный выпуск фильтрующих материалов и волокнистых сорбентов с увеличенным сопротивлением деформации в сухом и влажном состояниях. Требуемая эффективность фильтрации достигнута при использовании материалов пониженной поверхностной плотности, что уменьшает их аэродинамическое и гидравлическое сопротивление и, соответственно, стоимость фильтрующих материалов. Внедрен выпуск тепло и звукоизоляционных материалов для верха салона «Жигулей». Внедрен выпуск основы искусственной кожи для верха рабочей обуви (производство кожи на ОАО «Конфитекс» (г. Чехов, Московская область). Налажен выпуск основы для производства респираторов с пониженной температурой формования. Выпущена опытная партия радиопоглощающего материала. Выпуск волокнистых сорбентов для ООО «Тибет», использованных при изготовлении бонов для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды. Выпуск ворсованного материала для верха детской обуви. Общий выпуск разработанных материалов за период 2003–2011 г.г. составил от 15000 до 40000 м2 в месяц с высоким экономическим эффектом.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 86 работ, из них 61 работа в изданиях, включенных в утвержденный Высшей аттестационной комиссией перечень рецензируемых изданий для опубликования результатов докторских диссертаций, получено 5 патентов РФ на изобретения. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на Международной конференции по химическим волокнам «Химволокна – 2000», ОАО «Тверьхимволокно», Российская инженерная академия, Тверь. 2000; Всероссийской конференции «Мембраны – 2001», г. Москва, 2001; междуна-
родной научно–технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС 2007)», Москва 2007; на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения». 2007. Димитров-град; 3-ем Московском фестивале науки. М. МГУДТ. 2008.
Личный вклад автора. Автор определял направления исследований, проводил эксперименты, обосновывал методы исследований, анализировал полученные результаты и формулировал выводы. Экспериментальные результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве работ по теме диссертации, приведенных в автореферате.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, приложения и заключения, содержит 178 рисунков, 25 таблиц и библиографию из 261 наименований, изложена на 351 странице машинописного текста. Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования. Представлена научная новизна и практическая значимость работы.
Механические характеристики иглопробивных материалов и основные способы их модификации
Механические характеристики иглопробивного материала отражают его отношение к различным внешним воздействиям силовых полей, вызывающих деформацию и разрушение в процессе растяжения [9, 83 – 125] или сжатия [126 – 133]. Для оценки прочности при растяжении используются стандартные показатели нагрузки и удлинения при разрыве образца нормированного размера (ГОСТ 15902.3-79). Рассматривается применение для этой цели ряда других параметров, среди которых наиболее оптимальным параметром оценки прочности считают работу разрушения, рассчитанную как площадь под зависимостью нагрузка – деформация [83].
Сопротивление деформации растяжения оценивается удлинением, которое достигается при приложении к образцу нормированного размера нагрузки, величина которой составляет 25% от разрывной нагрузки (ГОСТ 8847-85) [83]. В европейском стандарте сопротивление растяжению оценивается по величине нагрузки, необходимой для достижения 10 и 20%-ного удлинения образца нормированного размера [83]. Менее очевидным представляются подходы к определению прочностных и деформационных характеристик при сжатии материала. Влияние состава нетканых материалов на их механические характеристики связывают с химической природой волокна, его линейной плотность, длиной резки и извитостью [9, 83 – 133]. Прочностные характеристики иглопробивного материала, в основном, зависят от длины волокон. Увеличение длины волокон с 34 до 65 мм приводит к существенному росту прочности, что объясняют увеличением числа зацеплений между волокнами и возрастанием сопротивления волокон проскальзыванию из зацепления друг с другом. Показано, что дальнейшее увеличение длины волокон практически не влияет на прочностные свойства иглопробивных материалов. Увеличение прочностных характеристик иглопробивного материала достигается при использовании извитых волокон, оптимальная величина извитости составляет 3–5 извитков на сантиметр длины волокна, при этом возрастает вероятность в процессе иглопрокалывания захвата одного волокна иглами и формирование сетки волокон, соединяющей отдельные пучки. Определенное значение для увеличения механических свойств иглопробивных материалов имеет физическая обработка поверхности волокон и методы химической модификации их поверхности, которые влияют на трение между ними.
При определенном типе волокна прочностные характеристики материала определяются поверхностной плотностью. Такую зависимость связывают с влиянием данных структурных факторов на эффективность иглопрокалы-вания, которая при равных режимах ее проведения возрастает с увеличением поверхностной плотности. К технологическим факторам, влияющим на прочность материала, отнесено способ формирования волокнистого холста, тип игл, плотность и глубины прокалывания, а также протяжку полотна при прокалывании [9, 83 – 133]. Зависимость прочностных характеристик материала от способа формирования волокнистого холста связана с достигаемой на этой стадии ориентацией волокон [10, 90, 91, 93]. При аэродинамическом способе формирования волокнистого холста достигается беспорядочное расположение волокон, и как следствие этого, получение изотропного материала с близкими механическими характеристиками в продольном и поперечном направлениях. Причем в процессе формирования волокнистого холста часть волокон ориентирована по то толщине материала. При механическом способе формирования волокнистого холста достигается преимущественная ориентация волокон в плоскости полотна. При этом большая часть волокон ориентирована в поперечном направлении полотна. Следствием ориентации волокон является анизотропия механических свойств. По сравнению с аэродинамическим способом механический способ формирования волокнистого холста приводит к получению иглопробивного материала с более высокими механическими свойствами. Эффективность иглопрокалывания определяется способом формирования волокнистого холста, химической природой и физическим состоянием волокон, а также структурными характеристиками материала [10, 90, 91, 104, 105 115]. Увеличение эффективности прокалывания достигается при упрочнении материала, изготовленного при использовании механического способа формирования волокнистого холста. Такой результат отражает более высокую вероятность захвата волокон зазубринами игл. При иглопрокалывании волокнистого холста, полученным аэродинамическим способом формирования волокнистого холста, уменьшается вероятность захвата волокон, что является следствием вертикального расположения части волокон. Химическая природа волокна и состояние его поверхности определяет трение между ним и иглой, что влияет на количество захваченных волокон в зазубрине иглы и ее способность удержания волокна [11, 115]. Увеличение вероятности захвата волокон зазубриной игл возрастает при использовании извитых волокон. Такой эффект характерен при прокалывании материала с увеличенной объемной и поверхностной плотностью. Наиболее полно исследована зависимость прочностных характеристик материала от плотности его прокалывания [90 – 119]. Установлено, что прочность увеличивается до определенной плотности прокалывания, выше которой происходит ее снижение. Такой вид зависимостей объяснили фиксацией волокон и их разрывом при протаскивании иглами. Исследовано влияние поверхностной плотности иглопробивных материалов на их прочность. Выявлена линейная зависимость между увеличением поверхностной плотности и прочностью материалов. Отклонение зависимостей от линейной наблюдается при относительно большой плотности поверхностной плотности материалов, для которых при равных режимах прокалывания достигаются более высокие показатели прочности. Изменение вида зависимостей связано с достижением в процессе иглопрокалывания более сложного переплетения между волокнами. Более сложная зависимость предложена для оценки влияния объемной плотности иглопробивных материалов на их прочность.
Влияние структуры иглопробивных материалов на их прочность при растяжении описывается несколькими моделями, наиболее признанной из которых является модель Гусева и Барабанова [88]. Согласно этой модели, структура иглопробивных материалов представляет собой вертикально расположенные по толщине материалов пучки (уплотнения) отдельных участков волокон, образующихся в результате их захвата и переориентации зазубринами игл. Между пучками волокон расположены волокна, входящие в состав нескольких пучков и несущие в силу этого механическую нагрузку (активные волокна), а также волокна, свободные от зацепления пучками (пассивные волокна). Разрывные характеристики материалов связаны с распределением механической нагрузки на активные волокнами и определяются характеристиками зацепления волокон между собой в объеме пучка. Деформационные характеристики материала при сжатии определяет изменение его размеров при нагрузке ниже разрывной [88]. Такие исследования являются актуальными для материалов геотекстильного назначения [109]. Сжатие таких материалов в процессе их укладки в дорожное полотно и процессе эксплуатации приводит к уменьшению проницаемости. Предложена модель для прогнозирования деформации сжатия материала в зависимости от величины нагрузки. Модель ограничена условиями проведения эксперимента и не обеспечивает расчет деформации материала, структура которого отличается от структуры образцов.
Существующие способы модификации прочностных характеристик иглопробивных материалов можно разделить на две основных группы. Первая группа включает способы обработки материалов, исключающие изменение их исходного состава. Второе направление связано с обработкой предварительно сформированного волокнистого полотна дополнительными веществами. Обработка материалов с изменением их состава достигается пропиткой растворами и дисперсиями полимеров. Обработка материалов без изменения их состава достигается физическими методами воздействия, такими как тепловая обработка или ее сочетание с деформационным воздействием различными способами. Тепловая обработка осуществляется нагретым воздухом, который подается через материал. Для деформационно-тепловой обработки используются валковые каландры различной конструкции.
Сопротивление деформации растяжения иглопробивных и обработанных материалов из полиэфирного волокна
Применение иглопробивных и обработанных материалов в процессах массопереноса определяет практическое значение прогнозирования первой стадии растяжения (рис. 3.1.1). Ограничение растяжения первой стадии процесса связано со значительным изменением пористости при ее протекании. Решение отмеченной проблемы требует, прежде всего, обоснования параметра для оценки сопротивления первой стадии растяжения иглопробивных и обработанных материалов, представляющих собой высокопористые волокнистые системы с различными по прочности связями между волокнами.
Для оценки первой стадии растяжения иглопробивных и обработанных материалов использован подход механики сплошных сред, связанный с определением зависимостей условное напряжение-растяжение (рис. 3.1.1). Недостатком такого подхода является использование для расчета площади поперечного сечения толщины, что достигается в условиях нормированного сжатия образца измерительным устройством. Такой метод приводит к искажению значения толщины и соответственно расчета площади поперечного сечения образца и напряжения.
В значительной степени ошибка определения толщины имеет значение для иглопробивных материалов и в меньшей степени для модифицированных материалов с увеличенным сопротивлением сжатию. Величина ошибки определения толщины зависит от структуры иглопробивных материалов, которая влияет на их сопротивление сжатию, таких как химическая природа волокон, их линейная плотность и форма поперечного сечения, поверхностная и объемная плотность и режимы иглопрокалывания, а для обработанных материалов – их состав, типом и режимом обработки.
В то же время определение удельных параметров механических свойств иглопробивных материалов имеет общие недостатки. Так, при использовании стандартного параметра разрывной нагрузки, отнесенной к еди 94 нице массы образца или к единице поверхностной плотности материала, возникает зависимость прочности не только от данного структурного параметра, но и от объемной плотности. Очевидно, что при равной поверхностной плотности иглопробивные материалы различной объемной плотности отличаются механическими свойствами.
Условный модуль используется для оценки сопротивления первой стадии растяжения иглопробивных и обработанных материалов. Условный модуль обеспечивает прогнозирование сопротивления ограниченного растяжения, предельная величина которого соответствует удлинению перехода от первой стадии растяжения ко второй стадии процесса (рис. 3.1.1). В общем случае уравнение (3.3.1) применяется для прогнозирования сопротивления растяжению менее 0,5. Достаточность прогноза сопротивления такому растяжению определяется тем, что при этом происходит существенное изменение пористой структуры и процессов массопереноса.
Предложенный подход к оценке сопротивления иглопробивных материалов первой стадии растяжения приближается к требованиям европейского стандарта EN ISPO 10319, связанного с определением нагрузки достижения 10 или 20%-ного удлинения. Однако по сравнению с этим при использовании условного модуля число структурных параметров, определяющих сопротивление растяжению, сокращается. Применение для прогнозирования сопро 95 тивления первой стадии растяжения параметра по ГОСТ 8847-85, связанного с определением промежуточного растяжения при нагрузке, равной 25% от ее разрывной величины, ограничено неопределенной возможностью измерения деформации различных стадий растяжения.
Выполнен анализ эффективности применения для оценки сопротивления первой стадии растяжения и прочности иглопробивных материалов стандартных и предложенных параметров механических свойств. Такой анализ основан на сравнении эффективности их применения для получения зависимостей сопротивления первой стадии растяжения и прочности при разрыве от плотности прокалывания, которая является основным технологическим способом варьирования механических свойств иглопробивных материалов.
В качестве объектов исследования использовали материалы из полиэфирного волокна линейной плотностью 0,33 текс (ТУ 6-13-0204077-95-91) и поверхностной плотностью 200, 300 и 400 гм–2. Выбор в качестве объектов исследования материалов различной поверхностной плотности связан с ее влиянием на эффективность прокалывания или формирование пучков, их структуры и состояние волокон между пучками. Плотность основного прокалывания изменяли от 50 до 200 см–2 при постоянной глубине действия игл, равной 8 мм. Основное иглопрокалывание выполняли при постоянной протяжке полотна, равной 60%, действие игл с одной стороны. Такие режимы прокалывания обеспечили получение материалов с различными значениями поверхностной и объемной плотности.
Механические свойства при растяжении иглопробивных материалов определяли, согласно требованиями ГОСТ 15902.3-79, при использовании образцов, нормированной ширины, равной 50 мм. Зависимости механических свойств, выраженных стандартными параметрами, такими как разрывная нагрузки и нагрузка достижения 10%-ного растяжения, от плотности прокалывания представлены на рис. 3.3.1. На рис. 3.3.2 представлены аналогичные зависимости механических свойств, выраженных как условное напряжение при разрыве и условный модуль.
При использовании разрывной нагрузки и нагрузки 10%-ного удлинения их зависимости от плотности прокалывания определяются поверхностной и объемной плотностью (рис. 3.3.1). Уменьшение влияния структурных параметров на оценку механических свойств достигается при использовании напряжения при разрыве и условного модуля. В последнем случае влияние плотности прокалывания на прочность и сопротивление первой стадии растяжения материалов различной поверхностной и объемной плотности описывается общей зависимостью (рис. 3.3.2).
Зависимости нагрузки 10%-ного удлинения от плотности прокалывания имеют сложный вид (рис. 3.3.1). При использовании условного модуля такие зависимости трансформируются в линейные зависимости (рис. 3.3.2). В то же время зависимости различных показателей прочности от плотности прокалывания имеют экстремальный вид, что отражает достижение максимальной прочности при оптимальной плотности прокалывания и ее уменьшение при плотности прокалывания выше критической величины (рис. 3.3.1 и 3.3.2). Такой результат является известным и отражает зависимость прочности от разрыва волокон при ограничении их подвижности в пучках при плотности прокалывания больше критической величины.
По сравнению с прочностью увеличение плотности прокалывания приводит к монотонному возрастанию сопротивления первой стадии растяжения, выраженного как нагрузкой достижения 10%-ного растяжения, так и условным модулем. Данный эффект наиболее заметен при использовании условного модуля, при расчете которого учитывается зависимость толщины или объемной плотности, которые зависят от плотности прокалывания. Увеличение сопротивления первой стадии растяжения достигается при плотности прокалывания больше критической величины, при которой происходит снижение прочности.
Удельный показатель условного напряжения при разрыве, рассчитанный на единицу плотности прокалывания до ее критической величины, практически на два порядка превышает аналогичный показатель условного модуля. Другими словами, увеличение плотности прокалывания до ее критической величины является эффективным способом регулирования прочности и в незначительной степени влияет на сопротивление первой стадии растяжения. Различное влияние плотности прокалывания на прочность и сопротивление первой стадии растяжения определяется ее влиянием на подвижность волокон в пучках и межпучковом пространстве. Увеличение плотности прокалывания снижает подвижность волокон в пучках, что достигается за счет увеличения плотности их упаковки и формирования в объеме пучков более сложных связей между волокнами.
Низкая плотность упаковки волокон между пучками снижает вероятность их захвата зазубринами игл. Результатом увеличения плотности прокалывания является уплотнение волокон между пучками без изменения их ориентации и связей между ними, что сохраняет их высокую подвижность в силовом поле. Постоянное уплотнение волокон между пучками отражается непрерывным и относительно небольшим монотонным ростом сопротивления первой стадии растяжения, (рис. 3.3.2).
Деформация иглопробивных и обработанных материалов из полиэфирных волокон в условиях действия постоянной нагрузки
Условия эксплуатации фильтрующих материалов и волокнистых сорбентов связаны с высокой скоростью растяжения [83, 91, 93]. В таких условиях максимальная нагрузка потока газа или жидкости за короткий промежуток времени достижения предельное значение. Такие пиковые нагрузки возникают в начальный момент фильтрации, прежде всего, при фильтрации газа и в меньшей степени жидкости, а также в момент извлечения сорбента с поглощенной жидкостью. В то же время определение деформационных характеристик материалов при постепенном возрастании нагрузки на разрывной машине по своим условиям отличаются от условий скоростного нагружения до определенной величины, которую имитировали шаговым приложением грузов заданной массы.
Под действием постоянной нагрузки растяжение волокнистых материалов определяется деформацией растяжения двух видов, которые отличаются временем развития. В момент нагружения возникает мгновенная деформация, которая зависит от величины нагрузки. За время длительного действия постоянной нагрузки развивается текущая деформация, зависящая не только от величины нагрузки, но и от времени ее действия. Применение иглопробивных материалов в процессах массопереноса показывает, что практическое значение имеет мгновенная деформация, которая определяет максимальное удлинение. В условиях установившегося потока жидкости или газа текущая деформация достигает незначительной величины и развивается в течение длительного промежутка времени, которое превосходит время начального действия потока газа или жидкости, а также время извлечения сорбента с поглощенной жидкостью. Зависимости напряжение-деформация в продольном и поперечном направлениях иглопробивных материалов различной структуры из волокон линейной плотности 0,33 текс представлены на рис. 3.7.1. При проведении эксперимента нагрузку изменяли от 2 до 10 кг с шагом ее приложения 2 кг на образец шириной 50 мм и длиной рабочей части 100 мм. Мгновенное удлинение образцов определяли после 20 с действия нагрузки. Растяжение иглопробивных материалов определяется объемной плотностью. Для материалов объемной плотностью менее 90 кгм–3 деформационные зависимости в поперечном направлении по своему виду приближаются к аналогичным зависимостям, полученным при испытании на разрывной машине. Такой вид деформационных зависимостей отражает двустадийный механизм растяжения с различной скоростью увеличения растяжения при изменении механической нагрузки. В продольном направлении деформационные зависимости отражают постоянную скорость увеличения растяжения при возрастании механической нагрузки (рис. 3.7.1). Для материалов объемной плотностью больше установленной величины деформационные зависимости в продольном и поперечном направлениях полотна имеют линейный вид. В поперечном направлении деформация материалов объемной плотностью более 90 кгм–3 описывается общей зависимостью, в то время как в продольном направлении деформация материалов различной объемной плотностью описывается различными деформационными зависимостями (рис. 3.7.1). Зависимость растяжения иглопробивных материалов от их объемной плотности отражает ее влияние на скорость распределения нагрузки в объеме образцов. Для иглопробивных материалов значительной объемной плотностью характерным является формирование пространственной сетки волокон, соединяющих пучки. При высокой скорости приложения нагрузки сетка обеспечивает ее равномерное распределение по объему. В таких условиях удлинение определяется мгновенной деформацией и не зависит от текущей деформации. Преимущественная ориентация волокон в поперечном направлении обеспечивает формирование в этом направлении сетки с низкой степенью дефектности. Следствием различной дефектности сетки в продольном и поперечном направлениях является разное растяжение (рис. 3.7.1). Для материалов с относительно небольшой объемной плотностью высокая скорость приложения нагрузки приводит к реализации двух составляющих процесса деформации, мгновенной и текущей. При этом в условиях проведения эксперимента фиксировалась только мгновенная деформация, без учета текущей деформации, которая имеет значительную величину. Текущая деформация является следствием перемещения волокон при приложении относительно небольшой нагрузки. Увеличение нагрузки снижает вклад текущей деформации в общую деформацию и приближает регистрируемую мгновенную деформацию к результатам испытаний. В продольном направлении иглопробивных материалов линейная плотность волокон незначительно влияет на процесс растяжения. Относительно небольшое увеличение сопротивления деформации в этом направлении достигается для материала, изготовленного из полиэфирного волокна линейной плотностью 1,7 текс. В поперечном направлении для материала из волокон линейной плотностью 0,33 текс наблюдается значительное увеличение сопротивления развитию деформации.
Увеличение линейной плотности волокон снижает вероятность формирования сетки, что приводит к возрастанию подвижности волокон под нагрузкой. Снижение формирования сетки из волокон различной линейной плотности в продольном направлении материалов сближает их деформационное поведение. Увеличение сопротивления деформации в продольном направлении материалов из волокон линейной плотности 1,7 текс является следствием их ограниченного перемещения под нагрузкой и появления зави симости общей деформации не только от мгновенной деформации, но и от текущей деформации.
По сравнению с материалом из волокон линейной плотностью 1,7 текс формирование в процессе иглопрокалывания сетки из волокон линейной плотностью 0,33 текс приводит к значительному возрастанию сопротивления деформации в поперечном направлении материалов. Для материалов из грубых волокон значительно увеличивается деформация начальной стадии растяжения. Такой вид деформационных зависимостей материалов различного состава подтверждает зависимость деформации от подвижности волокон, что требует определенного времени перемещения волокон, которое выше времени проведения эксперимента.
Использование подхода д'Арси для моделирования процесса фильтрации воды и воздуха в иглопробивных и обработанных материалах
Отклонение экспериментальных показателей воздухопроницаемости от линейной зависимости скорость фильтрации-давление и их предельная величина при значительном давлении воздуха следствием различных причин, таких как достижение предельной пропускной способности материала, или его сжатия под действием потока воздуха, или изменения механизма течения. Деформация материала под действием потока воздуха приводит к изменению размера пор и их формы. Уменьшение размера пор снижает пропускную способность деформированного материала, предельное уменьшение размера пор определяет предельную пропускную способность. К более сложному влиянию на течение воздуха в деформированных иглопробивных материалах приводит изменение формы порового пространства, следствием которого может быть как возрастание потерь, так и переход от ламинарного режима течения к турбулентному. В меньшей степени изменение режима течения воздуха может быть следствием увеличения его скорости фильтрации в поровом пространстве, что определяется значительной пористостью материалов и в силу этого незначительным увеличением скорости фильтрации. Возможный способ определения причины отклонения зависимости скорость фильтрации – давление от линейного вида связан с исследованием процесса фильтрации воздуха в материалах с различным сопротивлением сжатию.
Результаты исследования зависимостей скорость фильтрации воздуха от давления, полученных для иглопробивных материалов и материалов с би-компонентным волокном, обработанных деформационно-тепловым способом, представлены на рис. 4.2.3. Для обработанных материалов с бикомпо- нентным волокном снижается зависимость фильтрации воздуха от сжатия и соответственно от изменения пористой структуры при деформации.
По сравнению с иглопробивными материалами для обработанных материалов с бикомпонентным волокном линейный вид зависимости скорость фильтрации – давление сохраняется при значительном давлении воздуха, которая в некоторых случаях превышает ее максимальное значение, 200 Па. Поэтому основная причина отклонения показателей воздухопроницаемости от линейной зависимости связана со сжатием иглопробивных материалов под действием потока воздуха. Сжатие материала приводит к уменьшению размера пор [212], который при определенном критическом давлении воздуха стремится к постоянной величине. Предельный размер пор определяется не только давлением воздуха, но и структурой материала. Достижение постоянного размера пор под действием аэродинамической нагрузки определяет предельную пропускную способность деформированного материала и отражается стремлением воздухопроницаемости к постоянной величине при возрастании давления. Зависимости скорость фильтрации – давление показывают, что для обработанных материалов с бикомпонентным волокном различной структуры (рис. 4.2.3) линейный вид зависимостей сохраняется при давлении до 100 Па или при скорости воздуха до 1,2–1,5 м/с, для некоторых обработанных материалов – при давлении до 200 Па. Величина критической скорости и давления, при которой происходит отклонение зависимости от линейного вида, определяется содержанием бикомпонентного волокна, структурой иглопробивных материалов, использованных для обработки, и режимами обработки. Критическая скорость фильтрации воздуха определяется достигаемой в процессе обработки объемной плотности, что является характерным и для иглопробивных материалов (рис. 4.2.1 и 4.2.2). Увеличение объемной плотности иглопробивных материалов, что отражает возрастание плотности упаковки волокон и значительную прочность связей между ними в модифицированном поверхностном слое определенной толщины, приводит к снижению их подвижности. Снижение подвижности волокон при действии на них аэродинамической нагрузки обеспечивает сохранение размера и формы пор при более высоком давлении воздуха. Устойчивость волокон к действию аэродинамической нагрузки отражается увеличением критического давления, при котором наблюдается отклонение зависимости скорость фильтрации – давление от линейного вида. Для иглопробивных материалов относительно небольшой объемной плотности сохраняется высокая подвижность волокон, прежде всего волокон, ориентированных в плоскости полотна. Ориентированные в плоскости полотна волокна испытывают значительную аэродинамическую нагрузку при относительно небольшом давлении воздуха. Следствием действия воздушного потока на такие волокна является их сдвиг и уменьшение размера пор. Уменьшение размера пор снижает пропускную способность материала, что отражается отклонением зависимости скорость фильтрации – давление от линейного вида и стремлением показателей воздухопроницаемости к постоянной величине при определенном давлении. Деформационно-тепловая обработка материалов с бикомпонентным волокном обеспечивает в поверхностном модифицированном слое жесткую фиксацию волокон расплавом оболочки бикомпонентного волокна. Увеличение устойчивости волокон поверхностного модифицированного слоя к аэродинамической нагрузке приводит к сохранению пористости при относительно большом давлении воздуха, что сохраняет пропускную способность обработанных материалов при большом давлении воздухом. Устойчивость пористости обработанных материалов с бикомпонент-ным волокном к действию аэродинамической нагрузки достигается при небольшой толщине модифицированного слоя и сохранении пористости в объеме. Таким образом, изменение воздухопроницаемости иглопробивных материалов под действием аэродинамической нагрузки определяется сдвигом волокон поверхностного слоя. Сдвиг волокон поверхностного слоя является следствием небольшой по сравнению с объемом плотностью упаковки волокон, что согласуется с предложенным механизмом процесса сжатия материалов под действием механической нагрузки.
Условием выполнения линейного закона дАрси [244, 245] является постоянное значение коэффициента проницаемости для материала одной пористой структурой, но различной толщины. Данное требование вытекает при использовании капиллярной модели структуры пористых тел для оценки течения в них газов или жидкостей. Согласно закону Пуазейля, скорость фильтрации газов или жидкостей в отдельном капилляре постоянного диаметра обратно пропорционально его длине. Такая зависимость между скоростью фильтрации и длиной капилляра или толщиной пористого тела обеспечивает постоянное значение коэффициента проницаемости, связывающего эти две переменные при выполнении линейного закона дАрси.
