Введение к работе
Актуальность проблемы. Широкое использование материалов и изделий бытового и технического назначения требует подробных сведений о их поведении при переработке и эксплуатации. Поскольку характеристики этих материалов, а также изделий на их основе, определяются как свойствами составляющих их волокон и нитей, так и условиями окружающей среды, расчет и прогнозирование этих свойств является одним из основных вопросов при их разработке. Неотъемлемым показателем высокого уровня производства является использование автоматизированных компьютерных систем контроля и управления технологическими процессами, что делает актуальной рассматриваемую в диссертации задачу прогнозирования изменений сорбцион-ных и механических свойств волокон и нитей, которая пока еще решается с использованием эмпирических методов. Одним из существенных отличий волокон, нитей, и материалов на их основе от других материалов является значительное изменение их свойств при внешних воздействиях, в том числе при эксплуатации в условиях действия активных сред и повышенных температур. Заметное влияние среды - температуры и сорбированной влаги - определяет работоспособность текстильных материалов и изделий и требует наличия методов прогнозирования изменения свойств при различных внешних воздействиях. Такие методы пока разработаны только для отдельных показателей в ограниченном диапазоне условий. Существующие в настоящее время методы прогнозирования свойств волокон и нитей в зависимости от их строения и условий использования носят, как правило, оценочный характер и мало пригодны для практических расчетов. Следует отметить, что требуется не только обоснованный выбор моделей изменения свойств, но и наличие достоверных исходных данных. В то же время опубликованные в ряде работ характеристики волокон и нитей заметно отличаются между^ собой вследст-
вие различия методик испытания, что требует их критического анализаШелі и задачи работы. Создание методов прогнозирования и расчета измененш сорбционных характеристик и физико-механических свойств химически: волокон и нитей, в том числе материалов со специальными свойствами, прі воздействии механических и термических факторов, а также активных cpej (в первую очередь влаги), которые позволят оценить изменение ЭТИХ СВОЙСТІ при воздействии внешних факторов. Решение поставленной цели включает критический анализ и обобщение имеющихся в литературе эксперименталь ных данных по свойствам волокнообразующих полимеров, полимерны: волокон и нитей, их, экспериментальное исследование новых волокон и ни тей, теоретический расчет или экстраполяция отсутствующих значений с и: экспериментальной проверкой; анализ существующих теоретических и э.м лирических моделей зависимостей физико- механических свойств волокон : нитей от внешних воздействий; разработку моделей молекулярной подай* ности в аморфных областях аморфно- кристаллических волокнообразуюши полимеров, составляющих волокна и нити, при воздействии внешних факте ров на примере действия температуры и влаги; создание методов прогнозі' рования изменения свойств волокон и нитей при одновременна (комплексном) воздействии механических, термических факторов и влап разработку методического обеспечения для экспериментального определЕ ния свойств волокон и нитей в условиях воздействия на них активных сред температур-З.Общая методология исследования: Основными объектами ж следования служили химические волокна и нити текстильного и техничеекч го назначения. Автор защищает предложенные новые методы оценки рял характеристик волокнообразующих полимеров и волокон. Эти методы осж ваны на установленных в работе корреляционных соотношениях между х рактеристиками волокнообразующих полимеров и свойствами волокон на v
основе.^Научное направление: Автор защищает следующие научные положения: прогнозирование поведения химических волокон и нитей при сорбци-онном, механическом, термическом и комплексном воздействиях на основе анализа молекулярной подвижности в аморфных областях аморфно- кристаллических волокон. Направление включает в себя исследование закономерностей, определяющих структурную обусловленность физико-химических и физико-механических свойств волокон и нитей, а также их изменение под влиянием рассмотренных воздействий. Обобщение и сопоставление полученных в работе закономерностей позволило разработать подход для прогнозирования поведения волокон и нитей при рагіпчньїч параметрах окружающей среды..^аучная новизна работы Разработаны научные основы и практические методы прогнозирования изменения комплекса физико-химических и физико-механических свойств волокон и нитей в зависимости от их структуры и условий окружающей среды. Получены результаты, позволяющие прогнозировать изменения механических свойств и структуры волокон и нитей в широкой области условий эксплуатации, то есть при воздействии температур до температуры разложения и неинертного низкомолекулярного вещества, вызывающего их ограниченное набухание, а также при их совместном влиянии.
5.2.Предложен механизм молекулярной подвижности в ограниченно набухающих волокнообразующих полимерах и волокнах при сорбции ими паров воды, объясняющий изменение физико-механических свойств вследствии набухания волокон и нитей и служащий основой для прогнозирования изменений их структуры и свойств. Предложена физическая модель, отражающая взаимодействие функциональных групп макромолекул волокнообразующего полимера в аморфных областях волокон и нитей с молекулами низкомолекулярных веществ (в том числе волы), вызывающих ограниченное набухание
материала, и объясняющая происходящие при этом изменения структуры и физико-механических свойств с точки зрения пластификации.
5.3.Найдены зависимости, связывающие с концентрацией функциональных групп в элементарных звеньях макромолекул плотности аморфных областей и кристаллитов, и на их основе уточнены значения плотностей некоторых аморфно-кристаллических волокон.
5.4.Созданы методы оценки изменения температур стеклования и плавления в зависимости от структуры волокон и нитей, а также банк данных, содержащий сведения о температурах основных физических переходов в волокнах и нитях.
5.5.Установлено, что для всех исследованных объектов соблюдается температурно-структурная инвариантность равновесных сорбционных свойств (статика сорбции), что позволяет прогнозировать их изменение в широком интервале относительных концентраций сорбируемого вещества. Разработаны методы прогнозирования изменения сорбционно-гигроскопических свойств волокон и нитей в зависимости от их структуры, температуры и относительной влажности среды. Создан банк данных, содержащий сведения о гигроскопических свойствах волокон и нитей. Разработан пакет прикладных программ для работы с ними, а также действующая модель базы данных, на основе которой возможна разработка автоматизированной системы для выбора состава материалов, обладающих требуемым комплексом свойств.
5.6.Получена временная зависимость изменения количества сорбированного вещества (кинетика сорбции) в широком интервале его относительных концентраций (относительных влажностей от 0 до 95%), создана модель и уравнение, позволяющие описать эти изменения как в процессе сорбции
(увлажнения), так и в процессе десорбции (сушки). Рассчитаны значения коэффициентов, входящих в это уравнение.
5.7.Проведено изучение изменений температуры стеклования (Гс) набухающих волокон при сорбции ими паров неинертных веществ. Показано, что точка перегиба изотермы сорбции с хорошей точностью совпадает с началом перехода волокна в высокоэластическое состояние (расстекловыванием). На основе структурной модели пластификации волокнообразующего полимера предложена зависимость, позволяющая оценить изменение Те в зависимости от количества сорбированной волокном влаги.
5.8.На основе структурной модели пластификации и и ее взаимосвязи с величиной равновесной сорбции предложен метод прогнозирования изменения механических свойств волокон и нитей (прочности, удлинения при разрыве и модуля деформации) от количества поглощенной влаги.
5.9.Разработаны способы прогнозирования изменения рассмотренных механических свойств волокон и нитей при воздействии паров воды в широком интервале относительных влажностей воздуха в зависимости от их структуры и температуры окружающей среды. Создан банк данных, содержащая сведения об изменении механических свойств волокон и нитей во влажном состоянии. Создан алгоритм их расчета, а также пакет прикладных программ для работы с разработанным банком данных, который может быть использован в автоматизированных системах контроля свойств и качества волокон и нитей.
5.10. Разработаны методы оценки изменения механических свойств волокон
и нитей в зависимости от их структуры и влажности. Проверена возможность
прогнозирования влияния на свойства волокон и нитей других низкомолеку
лярных веществ. І і
I!
5.11.Рассмотрена зависимость изменения прочности волокон и нитей при одновременном воздействии температуры и поглощенной влаги. Разработаны методы прогнозирования изменения механических свойств волокон и нитей при комплексных воздействиях.
5.12.Разработаны методы, позволяющие оценить сохранность влажных волокон и нитей при отрицательных температурах.
5.13. Разработано методическое обеспечение для изучения физико-механических свойств волокон и нитей при температурно-влажностных воздействиях.
6. Практическая значимость работы. Установленные автором закономерности позволяют, прогнозировать физико-химические (сорбционные и температурные) и механические свойства волокон и нитей, определенные по стандартным методикам (прочность, удлинение при разрыве и модуль деформации), в широком диапазоне внешних воздействий, что дает возможность предсказать их изменение при эксплуатации в различных условиях при действии механических нагрузок, температур и низкомолекулярных веществ. Рассмотрена комплексная зависимость изменения прочности волокон и нитей при одновременном воздействии температуры и поглощенной влаги. Разработаны методы прогнозирования изменения механических свойств волокон и нитей при комплексных воздействиях. Разработаны методы, позволяющие осуществлять оценить сохранность влажных волокон и нитей при отрицательных температурах. Использование полученных зависимостей позволяет прогнозировать изменения физико-химических и физико-механических свойств волокон и нитей в условиях воздействия на них различных факторов окружающей среды. Методы прогнозирования и таблицы справочных данных внедрены в институте технических сукон, НИИХВ и
КМ, АО "Невская мануфактура", Российском этнографическом музее, музея антропологии и этнографии им. Петра Великого (кунсткамера), АООТ "ИКОФЛОК", Центре испытаний и сертификации волокнистых материалов и изделий (С-Пб.), НПО "Химволокно" (г. Мытищи). Методики исследования использованы в учебном процессе в С-Пб.ГУТД (на кафедрах материаловедения, физической, коллоидной и аналитической химии) и в Ивановском текстильном институте. (С-Пб.), Химволокно (Мытищи), и других. Работа выполнялась в рамках Координационного плана Научного Совета РАН по адсорбции (тема 2.15.1.1.) и темы ЛЕНТЕК-34.
-
Достоверность и обоснованность научных результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается проведением параллельных измерений, их статистической обработкой, а также сравнением с результатами аналогичных исследований, проведенных другими авторами и включенных в соответствующие банки данных.
-
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждались на 27 конференциях и симпозиумах, в том числе 7 международных: "Растворение и растворители в технологии полимерных материалов" (Ленинград 1981); IV- Международной конференции "Химични влакна - производство и переработка" (Варна 1982); III Всесоюзной конференции "Растворы полиг.:срсз и их применение в промышленности" (Свердловск 1982); V Всесоюзной конференции по химии и физике целлюлозы (Ташкент 1982); III Всесоюзной конференции по термодинамике органических соединений (Горький 1982); Научно-технической конференции "Разработка новых и интенсификация существующих технологических процессов хлопчатобумажного производства" (Иваново 1983); Национальном симпозиуме с международным участием "ПОЛИМЕРИ-83" (Варна 1983); Научно-технической конференции "Проблемы совершенствования техноло-
гии производства получения химических волокон и нитей" (Мытищи 1988); Научно- технической конференции "Разработка и совершенствование технологических процессов и художественного оформления изделий в текстильной и легкой промышленности" (Москва 1988); Конференции "Методы исследования целлюлозы" (Рига 1988); Международной конференции по характеристикам пористой структуры твердых тел COPS-II (Аликанте 1990); Всесоюзной научной конференции "Проблемы модификации природных и синтетических полимеров" (Москва 1991); Научно-техническом семинаре "Механика и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций" (Петербург 1992); Научно-технической конференции "Проблемы развития текстильной и легкой промышленности в современных условиях" ПРОГРЕСС-92 (Иваново 1992); Международной конференции "Текстильная химия" (Иваново 1992); VIII- Международной конференции "Производство и использование химических волокон" FIBRICHEM-92 (Братислава 1992); Всероссийской научно-технической конференции "Прочность и живучесть конструкций" (Вологда 1993); 2-м Международном конгрессе "АСНЕМА'94" (Франкфурт 1994); 6-м Европейском симпозиуме "ESTAC-6" (Градо 1994); Республиканской научно- технической конференции "Лен-94" (Кострома 1994); Международной научно-технической конференции "Новое в технике и технологии текстильной промышленности" (Витебск 1994); Международной научно-технической конференции "Прогресс-94" (Иваново 1994); 7-й Международной конференции по теоретическим вопросам адсорбции (Москва 1994).
9. Публикации. Научные выводы, сделанные в работе, нашли отражение в 68 печатных работах: из них 1 книга, 30 статей, 15 работ напечатаны в зарубежных изданиях, 42 опубликовано после защиты кандидатской диссертации. Поданы 3 заявки на выдачу патентов на изобретения.
10. Объем работы. Диссертация состоит из 7 глав, введения, заключения, списка литературы (375 источника), приложений, содержит 38 таблиц, 87 рисунков. Общий объем 574с, из них основная текстовая часть 347с.
