На правах рукописи

ДЕДОВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

МАССОПЕРЕНОС В ВОЛОКНИСТЫХ

ВЫСОКОПРОЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 02.00.06

Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова»

(МГУП имени Ивана Федорова)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Назаров Виктор Геннадьевич Официальные Дебердеев Рустам Якубович доктор технических наук, главный научный сотрудник оппоненты:

Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Коврига Владислав Витальевич доктор технических наук, профессор, директор по науке и развитию ООО "Группа ПОЛИПЛАСТИК" Чалых Анатолий Евгеньевич доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук Открытое акционерное общество «Ордена Трудового Ведущая Красного Знамени научно-исследовательский физикоорганизация:

химический институт им. Л.Я. Карпова"

Защита состоится «_»_2014 года в _часов на заседании диссертационного совета Д 002.012.01 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химической физики им. Н.Н.

Семенова Российской Академии Наук.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химической физики им. Н.Н. Семенова Российской Академии Наук и на сайте – http://www.chph.ras.ru/dissovet1.html

Автореферат разослан «_» 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат химических наук Т.А. Ладыгина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 иглопрокалывания 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 пористой 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 решения, обеспечивающие изготовление материалов с увеличенным сопротивлением 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 обеспечивает 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 иглопробивных 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 варьировании 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 фибриллированных 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 до 40000 м2 в месяц с высоким экономическим эффектом.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 86 работ, из них 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; международной 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. Димитровград; 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.

Первая глава содержит аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по проблеме влияния пористости иглопробивных материалов на их механические свойства и процессы массопереноса. Определены подходы исследования процесса растяжения и параметры для его описания. Выбор таких параметров зависит от требований стандарта. Отсутствует модель для прогнозирования сопротивления растяжению, известная модель для прогнозирования сопротивления сжатию имеет ограниченное использование.

Стандартная оценка проницаемости иглопробивных материалов заключается в измерении расхода газа или жидкости при постоянном давлении. Предметом дискуссии является использование подхода дАрси для прогнозирования скорости фильтрации воздуха. Для прогнозирования воздухопроницаемости используются модели с различными структурными параметрами. Не решена проблема определения оптимального структурного параметра или их комбинации, отражающих проницаемость.

Рассмотрены промышленные способы модификации механических свойств и структуры иглопробивных материалов. Отмечен эмпирический характер определения оптимального способа обработки. Не исследовано влияние обработки на формирование пористой структуры и процессы массопереноса.

Вторая глава включает характеристики изучаемых объектов и методы исследований. В качестве объектов исследования использовали иглопробивные материалы из полиэфирных волокон (ПЭВ) 0,33, 0,6, 0,84 и 1,7 текс (ТУ 6-13ОАО Могилевхимволокно, Белоруссия) и их смесок с бикомпонентными волокнами (БКВ) 0,44 текс (Республика Корея). Состав смесок при отношении ПЭВ к БКВ как 93:7, 90:10, 85:15, 80:20, 70:30, 50:50 и 30:70.

Структура БКВ – ядро из полиэтилентерефталата температурой плавления 250-270оС и оболочка из низкомолекулярного полиэтилентерефталата температурой плавления 110-120оС. Использовали материалы, изготовленные из смесок ПЭВ с полипропиленовыми волокнами (ППВ) 0,6 текс (ТУ 2272-007Московский НПЗ). Содержание ППВ составляло 10, 20 и 30 %.

Использовано новое ППВ, полученное методом фибрилляции полипропиленовой пленки толщиной 15 мкм. Ширина фибрилированного полипропиленового волокна (ФПВ) составляла 50 мкм, длина резки – 55 мм. Содержание ФПБ в смесках с ПЭВ составляло 30, 50 и 70%. Поверхностную плотность изменяли от 0,10 до 1,2 кг/м2, объемную плотность – от 80 до 350 кг/м3.

Структурные и механические характеристики материала определяли по ГОСТ 15902.2-79 и 15902.3-79, соответственно. Для анализа распределения пор по размерам использовали способ Думанского–Острикова, связанной с определением высоты смачивания. Теплофизические характеристики волокон измеряли на дериватографе ДВ–1 (Венгрия) при массе навески 20 мг и скорости нагрева 3 0С/мин. Фильтрующие характеристики определяли с использованием безнасосной вакуумной установки при постоянном разрежении под фильтром 0,5 атм. Гранулометрический состав частиц, применяемых для искусственного загрязнения воды и воздуха, до и после фильтрации определяли при использовании автоматической системы анализа изображений «ВидеоТесТ». Воздухопроницаемость иглопробивных и обработанных материалов определяли по ГОСТ 12.088 – 77 «Материалы текстильные и изделия из них. Методы определения воздухопроницаемости». Испытания образцов проводили на приборе FF – 12/A (Венгрия) при переменном давлении воздуха до 200 Па. Водопроницаемость материала определяли на приборе ДорНИИ по ГОСТ 29104.16-91 при использовании образца диаметром 50 мм.

Давление водяного столба изменяли до 720 Па.

В третьей главе представлены результаты исследования механизма деформации иглопробивных нетканых материалов при растяжении и сжатии. Разработана модель структуры материалов, определяющая специфику механизма растяжения и сжатия. На основе механизма растяжения и сжатия сформулированы технологические основы получения материалов с увеличенным сопротивлением деформации. Выполнен анализ традиционных способов модификации механических свойств иглопробивных материалов и их влияния на пористость. Предложен состав и технологический способ обработки, исключающий недостатки известных способов.

Согласно принятой модели (Семенов, Тюменев) иглопробивные материалы состоят из пучков, которые формируются при захвате волокон зазубринами игл, и волокон между ними. Часть волокон соединяет пучки и несет нагрузку (активные волокна), часть волокон не входит в состав пучков и не несет нагрузку (пассивные волокна). Модель используется для объяснения прочности при растяжении и не объясняет механизм растяжения и сжатия.

Предложена модель, согласно которой иглопробивные материалы рассматриваются как тело с неравномерной плотности упаковки волокон: пучки это участки с высокой плотностью упаковки волокон, между ними расположены участки с низкой плотностью упаковки. Введены принципиально новые элемента модели: зависимость прочности связей между волокнами от плотности их упаковки и зависимость растяжения от отношения между прочностью связей и прочности волокон. Модель объясняет двух стадийное растяжение.

Первая стадия является следствием перемещения волокон между пучками.

После их переориентации нагрузка перераспределяется на волокна в пучках с началом второй стадии растяжения. Прочность связей между волокнами в межпучковом пространстве меньше прочности волокон, что на первой стадии растяжения исключает разрушение пучков. В пучках прочность связи может быть как меньше, так и больше прочности волокон. В первом случае, вторая стадия растяжения является следствием выскальзывания волокон из пучков, а ее развитие и разрыв материалов протекают с их разрушением. В другом случае вторая стадия связана с удлинением волокон, разрыв которых приводит к разрушению материала при сохранении пучков. Для определения правомерности модели исследован процесс растяжения материалов (рис.1) различной структуры и ее изменение на различных стадиях растяжения (рис.2).

Рис.1. Зависимость напряжение–деформация в продольном (а) и поперечном (б) направлениях (1–материал небольшой поверхностной плотности и низкой плотности прокалывания; 2– небольшой поверхностной плотности и высокой плотности прокалывания; 3– большой поверхностной плотности и низкой плотности прокалывания) Рис.2. Боковая поверхность материалов 1, 2 и 3 при различном удлинении Первая стадия растяжения протекает с сохранением пучков. Увеличение протяжки полотна (образец 2) приводит к выпрямлению волокон, что отражается увеличением сопротивления на первой стадии и снижением удлинения при переходе ко второй стадии растяжения. Вторая стадия растяжения образцов и 2 протекает с разрушением пучков, а для образца 3 – с их сохранением. Таким образом, подтверждена правомерность применения предложенной модели для объяснения механизма растяжения.

Установлен механизм сжатия иглопробивных материалов. На начальной стадии сжатия увеличивается плотность упаковки волокон поверхностного слоя.

Дальнейшее сжатие зависит от эффективности иглопрокалывания. При низкой эффективности сохраняется ориентация волокон в плоскости полотна, сжатие приводит к выравниванию плотности упаковки волокон по толщине.

При высокой эффективности с формированием пучков нагрузка распределяется на них, а сжатие является следствием их деформации.

На основании предложенного механизма сжатия и растяжения впервые сформулированы технологические основы получения материалов с увеличенным сопротивлением деформации, которые включают регулирование количества и прочности связей между волокнами в межпучковом пространстве.

Для получения высокопористого материала впервые предложена послойная (градиентная) модификация, при которой регулирование количества и прочности связей достигается в поверхностном слое определенной толщины при сохранении или контролируемом изменении пористости в объеме.

В максимальной степени реализация предложенных технологических основ получения материалов с увеличенным сопротивлением растяжению и сжатию достигается при обработке на валковом каландре материалов из смески ПЭВ и ППВ. Деформация полотна в зазоре валов увеличивает количество связей между волокнами, прочность связей между ПЭВ возрастает при их фиксации между собой расплавом ППВ. Снижение пористости связано с усадкой полотна при уменьшении длины ППВ и необходимостью обработки при высокой температуре и давлении.

Для замены ППВ впервые в составе иглопробивных материалов использовано бикомпонентное волокно (БКВ) типа ядро–оболочка. Постоянная длина БКВ в тепловом поле исключает усадку, расплав оболочки БКВ увеличивает прочность связей между ними и транспортировка полотна исключает вытяжку в зоне обработки и изменение поРис.3. Схема устройства: 1–нагретый вал;

2– транспортерная лента; 3–система подвижных валков для регулирования при- увеличивает время обработки, что позвожима материала к валу; 4–материал достичь регулируемой глубины прогрева.

Послойная модификация проводится при содержании БКВ более 30% (рис.4).

Реализована обработка материала из ПЭВ при 210–220оС (рис.5).

Рис.4. Боковая поверхность модифицированного материала с 30% БКВ при скорости обработки 15 (а), 12 (б) и 2,5 (в) м/мин и температуре 160оС (М1:50) Рис.5. Боковая поверхность модифицированного материала из ПЭВ поверхностной плотностью 200 (а) и 600 (б) гм-2 (обработанная поверхность сверху, М 1:50) При большой скорости обработки изменяется структура тонкого поверхностного слоя при ее сохранении в объеме (рис.4а). Значительная плотность модифицированного слоя отражает возрастание количества связей между волокнами. Снижение скорости увеличивает толщину модифицированного слоя (рис.4б), формируется промежуточный слой с изменением формы и размеров пучков. При минимальной скорости пучки трансформируются в компактные образования (рис.4в), пространство между которыми заполнено волокнами. Для материалов из ПЭВ выравнивается плотность упаковки волокон поверхностного слоя и объема (рис.5). Предложенная рецептура и способ обработки обеспечивают полную реализацию технологических основ получения высокопористого материала с увеличенным сопротивлением деформации. Параметр для оценки сопротивления растяжению получен из зависимостей напряжение–деформация (рис.6).

напряжение, МПа Рис.6. Зависимость напряжение-деформации в поперечном (а) и продольном (б) направлениях иглопробивного материала (1), материала с 30% БКВ, обработанного нагретым воздухом (2) и предложенным способом (3) при температуре вала 180 оС Для материалов с БКВ растяжение протекает в одну стадию (рис.6) и при увеличении напряжения. При деформационно–тепловой обработке увеличивается количество и прочность связей между волокнами за счет вдавливания БКВ в объем друг друга и прогнозирование сопротивления первой стадии растяжения, которое отражается начальным участком Рис.7. Связь между зависимости напряжение–деформация и описывается ПЭВ и БКВ (М1:100) где ЕЭ–коэффициент размерности или условный модуль (МПа), используемый для оценки сопротивления материалов первой стадии растяжения. Установлена (рис.8-10) зависимость ЕЭ от удельного объема пор (VМ), равного истинному объему пор к единице массы образца.

ЕЭ, МПа Рис.8. Зависимость ЕЭ от VМ иглопробивного материала из ПЭВ линейной плотностью 0,33 (), 0,84 () и 1,7 () текс в продольном (а) и поперечном (б) направлениях Рис.9. Зависимость ЕЭ от VМ обработанного материала из ПЭВ L=0,33 текс с поверхностной плотностью 0,2 (), и дополнительной прокаткой (), 0,3 () кгм–2 и дополнительной прокаткой (), L=0,84 текс с поверхностной плотностью 0,22 () и L=1,7 текс с поверхностной плотностью 0,6() кгм–2 в продольном (а) и поперечном (б) направлениях Рис.10. Зависимость ЕЭ от VМ обработанного материала с 10 (), 20 (), 30 () и 75 () % БКВ, в продольном (а) и поперечном (б) направлениях Зависимости, представленные на рис.8-10, описываются уравнениями вида:

где - ЕV (МПа) и V, (кг/м м ) – коэффициенты приведения.

Коэффициент V не зависит от содержания БКВ и определяется способом обработки. Для иглопробивных материалов из волокон различной линейной плотности в продольном и поперечном направлении V=110, при обработке материалов с БКВ нагретым воздухом V=125 и при обработке на предложенном оборудовании V=150. Для обработанных материалов ЕV зависит от химической природы и содержания легкоплавких волокон (табл.1).

Табл.1. Коэффициента ЕV материалов различного состава и разных способов обработки * - линейная плотность ПЭВ;

** - для обработанных материалов из ПЭВ линейной плотностью 0,33, 0,84 и 1,7 текс.

При условии VМ0 из уравнения (2) вытекает, что ЕVЕЭ. В таком случае, параметр ЕV отражает условный модуль материала, удельный объем пор которого стремится к минимальной величине, достигаемой при иглопрокалывании или обработке. Поэтому ЕV является структурным параметром и обеспечивает оценку влияния состава материала на эффективность укладки волокон в процессе иглопрокалывания или при использовании определенного способа обработки. Коэффициент V отражает влияние единичного изменения объема пор на сопротивление растяжению, и является технологическим параметром, обеспечивающим оценку эффективности иглопрокалывания или различных способов обработки. Параметры ЕV и V обеспечивают оценку влияния режимов иглопрокалывания и эффективности обработки на изменение пористости и сопротивление растяжению.

Исследовано влияние сжатия на проницаемость воды в иглопробивных материалах различной поверхностной и объемной плотности (табл.2). Анализ данных показывает зависимость проницаемости не только от деформации, но и от структуры. Для расчета использована зависимость относительной проницаемости от относительной толщины, которые рассчитали как отношение проницаемости или толщины под текущей нагрузкой к проницаемости или толщине под нагрузкой 5 кПа, которые приняли за единицу (рис.11).

Табл.2. Структурные характеристики иглопробивного материала и коэффициент фильтрации воды di/d Рис.11. Влияние нагрузки на толщину (а) и коэффициент фильтрации (б) материала Сжатие материалов при равной нагрузке уменьшается с увеличением объемной плотности (рис.12). Процесс сжатия материалов различной структуры ki/k протекает в две стадии, которые соответствуют стадиям изменения толщины материалов под нагрузкой. Значительное сниdi/d Рис.12. Зависимость коэффициента первой стадии процесса сжатия и в меньфильтрации от толщины материашей степени на второй стадии. Увеличение ла №1 (), №2 () №3 (), №4 (), что является наиболее характерным на второй стадии процесса сжатия.

Для оценки влияния сжатия иглопробивных материалов на их проницаемость использована зависимость относительного коэффициента фильтрации от относительной толщины (рис.12). Прямо пропорциональная зависимость между изменением проницаемости и изменением толщины материалов различной структуры отражает общий механизм их сжатия, а также зависимость фильтрации воды от одного структурного параметра и его изменения в процессе сжатия. Однофакторная зависимость проницаемости от сжатия отражает уменьшение объема пор, которое происходит без изменения их формы.

Сжатие материалов, содержащих различные легкоплавкие волокна и полученных разными способами обработки, рассмотрено на рис.13. Деформация материалов зависит от химической природы легкоплавких волокон.

с БКВ снижается деформация первой стадии сжатия. Обработка материалов с различными легкоплавкими волокнами не изPG, кПа Рис.13. Толщина от нагрузки обработанного () и обработанного процесс сжатия зависит от способа обранагретым воздухом () материала ботки. При обработке нагретым воздухом с 30% БКВ, соответственно () и () материала с 30 % ППВ и игне отличается от деформации соответствулопробивного материала () ющих стадий сжатия иглопробивного материала. Обработка материала такого состава на валковом каландре увеличивает деформации первой и второй стадии сжатия, которая превосходит деформацию использованного для обработки иглопробивного материала.

Для прогнозирования сопротивления сжатию иглопробивных материалов использован подход Матсудаира и Квина, согласно которому описывается линейный участок деформационных зависимостей, отражающий изменение толщины материалов на второй стадии:

где (dG/d)G–деформация перехода от первой стадии сжатия ко второй стадии процесса; кG–коэффициент приведения, отражающий зависимость степени сжатия второй стадии процесса от единичной нагрузки (кПа)-1.

Эффективность модели ограничена условиями эксперимента и использованными материалами, которые отличались небольшим варьированием структурных характеристик. Расширена возможность модели для прогнозирования деформации материалов, что достигнуто установлением зависимости (рис.14) (dG/d0, kG Рис.14. Зависимости (dG/d)G () и кG () от удельного объема пор иглопробивного материала 0,5>VМ>0; 1,7>VМ>0,5; VМ >1,7. Значение VМ=0 отражает монолитный материал, который при данных величинах механического напряжения не деформируется.

Сжатие такого материала отражается условием (dG/d)G=1, что близко к его расчетной величине, полученной из уравнения (4) при VМ=0 и равной 1,06.

При 0,5>VМ>0 сжатие связано с реализацией только первой стадии, что вытекает из условия кG>0, которое выполняется при VМ>0,5 (рис.14 и уравнение 5). Условие VМ>0,5 отражает низкую пористость материалов, в которых в силу значительного трения между волокнами механическая нагрузка приводит к небольшому увеличению плотности упаковки. Условие 1,7>VМ>0,5 отражают структуру материалов, в котором процесс сжатия протекает в две стадии. Для условия VМ>1,7 вид зависимостей рис.14 показывает, что реализуется только второй стадии сжатия. В таких материалах волокна расположены на значительном расстоянии друг от друга и на первой стадии достигается их максимальная упаковка, после которой дальнейшее сжатие исключается.

Четвертая глава посвящена исследованию и моделированию зависимости фильтрующих характеристик иглопробивных и обработанных материалов от пористой структуры. Выполнен анализ моделей для прогнозирования воздухопроницаемости и показаны их ограничения. Разработана модель для прогнозирования воздухо- и водопроницаемости, свободная от ограничений известных моделей. Обосновано применение линейного и нелинейного закона дАрси для прогнозирования скорости фильтрации воздуха и воды. Определена зависимость модельных структурных параметров от режимов прокалывания и обработки.

Обоснован переход от моделей для прогнозирования воздухопроницаемости (W,дм3с–1м–2) иглопробивных материалов с одним структурным параметром, таким как поверхностная (F, кг/м2), или объемная (p, кг/м3) плотность, или коэффициент заполнения (Ef, отн.ед.), к модели с двумя параметрами (Кострюков, 2006 г.), такими как Ef и толщины (d, м). Уравнение Кострюкова W=0,117(Efd)–1 использовали для прогнозирования W материалов с переменными значениями Ef и d, что не полностью отражает формирование структуры в процессе прокалывания. При различной плотности прокалывания выполняется условие Efd=const и из модели W=const. Зависимости относительной проницаемости от относительной толщины, при расчете которых проницаемость (Wо) и толщина (dо) материала при минимальной плотности прокалывания приняты за единицу, представлена на рис.15. Другим выводом является линейная зависимость W=f(d) при условии Ef=const, что реализуется для многослойного материала, полученного сложением полотен (рис.16).

Wi/W0, отн.ед Рис.15. Зависимости воздухопроницаемости Рис.16. Зависимости воздухопроницаемоот толщины иглопробивного материала из сти от толщины многослойного материала волокон 0,33 текс поверхностной плотно- из волокон 0,33 текс с поверхностной и стью 300 г/м2 () и обработанного материала объемной плотностью 130 г/м2 и 82,5 кг/м из волокон 0,33 текс поверхностной плотно- () и 300 г/м2 и 130 кг/м3 () и материала волокна 1,7 текс с поверхностной плотно- объемной плотностью 550 кг/м2 и 167 кг/м Модель Кострюкова не отражает зависимость воздухопроницаемости от плотности прокалывания и ограниченно используется для прогнозирования воздухопроницаемости многослойных материалов с высокой объемной плотностью. При низкой объемной плотностью необходимо учитывать изменение воздухопроницаемости при определенной толщине многослойного материала или при сложении определенного числа полотен. Теоретически обоснованы ограничения рассмотренной модели, связанные с зависимостью течения среды от структуры поверхностного слоя и ориентации волокон.

Выполнена оценка эффективности моделей с комбинациями Ef, и d вида:

W=k1Ef–1, W=k2Ef и W=k3Ef –1d. По значениям воздухо- и водопроницаемости из этих уравнений рассчитаны ki и установлена их зависимость от поверхностной плотности, которая не учитывалась в известной модели. Показана низкая эффективность моделей без учета поверхностной плотности. Наиболее оптимальными являются зависимости коэффициента (для воздуха k1 и воды k1В) уравнения W=k1Ef –1 от поверхностной плотности (рис.17,18).

Для прогнозирования воздухо- и водопроницаемости иглопробивных материалов оптимальным является применение комплексного параметра, такого как (EfF)–1 (рис.19 и 20).

W, дм3 м-2 с- Рис.19. Зависимости воздухо- (а) и водопроницаемости (б) от комплексного параметра иглопробивного материала из волокон 0,33 (), 0,84 () и 1,7 текс () и многослойного материала из волокон 0,33 (), 0,84 () и 1,7 текс () при давлении 49 Па W, дм3м-2с-1 Рис.20. Зависимости воздухо- (а) и водопроницаемости (б) от комплексного параметра обработанного материала из ПЭВ линейной плотностью 0,33 (), 0,84 () и 1,7 () Зависимости на рис.19-20 описываются уравнениями вида:

где Wi – воздухо- или водопроницаемость, дм3м2с1; kW – эмпирический коэффициент, (дм3м2с1)м2кг, отражающий проницаемость материалов с единичным значением параметра (EfF)–1 и который используется для оценки влияния структуры на проницаемость (табл.3).

Таблица 3. Значения kW для расчета воздухо- и водопроницаемости иглопробивного и обработанного материалов при давлении 49 Па Выражение (6) является моделью, правомерность которой подтверждена экспериментальными данными, имеющей по сравнению с ранее разработанными моделями более широкие возможности для прогнозирования воздухо- и водопроницаемости иглопробивных, многослойных и обработанных материалов из ПЭВ. Максимальную воздухопроницаемость имеют иглопробивные материалы из волокон 0,8 текс, а водопроницаемость– из волокон 0,8 и 1, текс. Однако данный подход не эффективен для прогнозирования проницаемости модифицированных материалов с БКВ.