«ДЕДОВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ МАССОПЕРЕНОС В ВОЛОКНИСТЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМАХ 02.00.06 – высокомолекулярные соединения диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант ...»

На правах рукописи

ДЕДОВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

МАССОПЕРЕНОС В ВОЛОКНИСТЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ

ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМАХ

02.00.06 – высокомолекулярные соединения

диссертация на соискание ученой степени

доктора технических наук

Научный консультант д.т.н., профессор В.Г. Назаров Москва – 2014 2

СОДЕРЖАНИЕ

cтр.

Введение………………………………………………………… 1. Современные представления о процессах массопереноса и механических свойствах волокнистых материалов (литературный обзор)………………………………………………………………… 1.1. Проницаемость пористого материала. Проницаемость нетканых иглопробивных материалов …………………………………… 1.2. Механические характеристики иглопробивных материалов и основные способы их модификации……………………………….. 1.3. Волокнистые сорбенты на основе нетканых иглопробивных материалов…………………………………………………………… 2. Объекты и методы исследования……………………………….. 2.1. Объекты исследования………………………………………… 2.2. Методы исследования………………………………………….. 3. Иглопробивные материалы с увеличенным сопротивлением деформации……………………………………………………………. 3.1. Механизм деформации иглопробивного материала. Технологические основы получения высокопористых материалов с увеличенным сопротивлением сжатию и растяжению……………. ……. 3.2. Получение многослойных материалов…………………………. 3.3. Сопротивление деформации растяжения иглопробивных и обработанных материалов из полиэфирного волокна …..………… 3.4. Сопротивление деформации растяжения обработанных материалов с бикомпонентным волокном………………………………. 3.5. Моделирование процесса растяжения иглопробивных и обработанных материалов.……………………………………………….. 3.6. Сопротивление деформации сжатия иглопробивных и обработанных материалов…..………………………………………………. 3.7. Деформация иглопробивных и обработанных материалов из полиэфирных волокон в условиях действия постоянной нагрузки.. 3.8. Структура и механические свойства материалов с экспериментальным волокном……………………………………………… 4. Фильтрующие иглопробивные и обработанные материалы….. 4.1. Воздухо- и водопроницаемость иглопробивных и обработанных материалов………………………………………………………. 4.2. Использование подхода д'Арси для моделирования процесса фильтрации воды и воздуха в иглопробивных и обработанных материалах ……………………………………………………………… 4.3. Фильтрующие иглопробивные и обработанные материалы….. 4.4. Формирование пористости иглопробивных и обработанных материалов…………………………………………………………….. 5. Волокнистые сорбенты……………………………………………. 5.1. Волокнистые сорбенты с оптимальной структурой…………… 5.2. Сорбционные свойства обработанных материалов с бикомпонентным волокном…………………………………………………… 5.3. Моделирование процесса сорбции жидкостей иглопробивными и обработанными материалами …………………………………. 5.4. Волокнистые сорбенты с улучшенными механическими свойствами………….……………………………………………………… 5.5. Сорбция солей из растворов…………………………………….. 6. Материалы с устойчивым ворсом………………..………………. 6.1. Структура ворсованных материалов.…………………………. 6.2. Обработанные ворсованные материалы……………………… 6.3. Фильтрующие ворсованные материалы……………………… Заключение……………………………………………….………….. Список литературы……………………………………………………………. Приложение……………………………………………………………

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

БКВ – бикомпонентное волокно;

ППВ – полипропиленовое волокно;

ПЭТВ – полиэфирное (полиэтилентерефталатное) волокно;

ФПВ – экспериментальное полипропиленовое волокно;

d – толщина иглопробивных и модифицированных материалов, м;

dG – толщина материалов, м, под удельной нагрузкой давления РG, кПа;

l – ширина материала при определенной деформации растяжения, м;

l0 – начальная ширина материала, м;

F – поверхностная плотность иглопробивных и обработанных материалов, кг/м2;

р – объемная плотность иглопробивных и обработанных материалов, кг/м3;

Ef – коэффициент заполнения волокон, отн. ед.;

– коэффициент пористости, отн. ед.;

n – плотность иглопрокалывания, см–2;

VПОР – истинный объем пор материала, м3;

VИ – истинный объем пор образцов на единицу их площади, м3/м2;

VМ – объем пор образцов на единицу их площади и массы, м3/(м2кг);

WИ – истинная пористость образца, отн. ед.;

VК – кажущийся объем пор, м3;

WК – кажущаяся пористость, отн. ед;

DS – средний диаметр пор иглопробивных и модифицированных материалов, мкм;

DH – гидравлический диаметр пор иглопробивных и обработанных материалов, мкм;

Df – диаметр волокон, м;

– условное напряжение при растяжении, МПа;

Р – условное напряжение при разрыве, МПа;

10 – условное напряжение достижения 10%-ного удлинения, МПа;

20 – условное напряжение достижения 20%-ного удлинения, МПа;

– относительное удлинение, %;

ЕЭ – условный модуль, МПа, отражающий сопротивление материалов деформации;

W – воздухопроницаемость материала при нормированном давлении воздуха 49 Па, дм3/(м2 c);

WВ – водопроницаемость материала, дм3/(м2c), при нормированном напоре воды 49 Па;

w – скорость фильтрации воздуха в материале, м/c;

wВ – скорость фильтрации воды в материале, м/c;

КПР– коэффициент проницаемости при фильтрации воздуха, м–2;

КВПР – коэффициент проницаемости при фильтрации воды, м–2;

Р – давление воздуха, Па;

РВ – напор воды, Па;

GV – сорбционная емкость волокнистых сорбентов, выраженная как объем сорбированной жидкости на единицу объема образца, м3/м3;

GМ – сорбционная емкость волокнистых сорбентов, выраженная как масса сорбированной жидкости на единицу массы образца, кг/кг;

Ж – поверхностное натяжение жидкостей, дин/см;

РР – разрывная нагрузка, Н, образца нормированной шириной 5 см;

Р10 – нагрузка, Н, необходимая для достижения 10%-ного удлинения образца нормированной шириной 5 см;

Р20 – нагрузка, Н, необходимая для достижения 20%-ного удлинения образца нормированной шириной 5 см.

ВВЕДЕНИЕ

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 технологических решений, 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 сорбционных процессов в волокнистых сорбентах 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;

- 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;

- эффективное применение новых 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;

- волокнистый 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 Приложение 3). 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. Внедрены технологии производства тепло- и звукоизоляционных материалов для верха салона «Жигулей», 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. Налажен выпуск волокнистых сорбентов для ООО «Тибет», использованных при изготовлении бонов для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, а также ворсованного материала для верха детской обуви. Ежемесячный выпуск разработанных материалов за период 2003–2011 гг. составил 15000- 40 000 м2 с высоким экономическим эффектом.

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 86 работ, из которых 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 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-м 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, заключения, приложения, содержит 178 рисунков, 25 таблиц и библиографию из 206 наименований, изложена на 350 страницах машинописного текста.

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ МАССОПЕРЕНОСА И

МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Массоперенос газов и жидкостей в твердых материалах реализуется за счет диффузионной или фазовой проницаемости [1]. Диффузионная проницаемость вещества представляет ряд параллельно протекающих последовательных процессов, таких как адсорбция, растворение и диффузия молекул в материале и выделение вещества с его обратной стороны. Движущей силой диффузионного переноса вещества в твердых телах является градиент химического потенциала на границе раздела фаз, выравнивание которого достигается за счет беспорядочного теплового движения молекул вещества в твердом материале [1 – 4].

Фазовая проницаемость газов и жидкостей характерна для пористых тел. Условием реализации фазовой проницаемости являются размеры пор, которые должны превышать длину свободного пробега молекул, и наличие в твердом теле сквозных пор [4 – 7], что в полной мере достигается в волокнистых материалах. При фазовой проницаемости в порах материала сохраняется фазовое состояние газа или жидкости, характерное фазовому состоянию вещества на границе раздела материал – среда.

Подходы к исследованию фазовой проницаемости пористых тел зависят от размера пор. При значительном размере сквозных пор общепринятый подход к описанию процесса фильтрации газа или жидкости в пористом теле основан на использовании закона Пуазейля, полученном при исследовании течения газов и жидкостей в отдельном капилляре [5, 7]. Использование подхода Пуазейля для описания процесса течения газов или жидкостей в пористом теле основано на капиллярной модели пористости, что параллельно определяет выбор параметров для оценки пористости.

Исследования механических свойств волокнистого материала включают как общие проблемы механики пористых тел [8], так и проблемы, отражающие специфику формирования их структуры [9 – 21]. Общей проблемой механики пористых тел является расчет реального напряжения, что достигается введением в расчетные уравнения поправочных коэффициентов, отражающих плотность упаковки структурных элементов, их форму и природу контакта между ними. При равной площади поперечного сечения пористых тел данные структурные характеристики могут изменяться в широких пределах, что отражается на определении напряжения [8].

Кроме того, использование волокон приводит к формированию различных типов связей между ними, которые изменяются от точечного контакта при пересечении волокон до контакта по всей поверхности параллельно расположенных волокон. При прочих равных условиях механические свойства материалов зависят от степени ориентации волокон, которая выражается в анизотропии механических свойств.

Зависимости фазовой проницаемости и механических характеристик иглопробивного материала от его пористой структуры определяют возможность разработки общего подхода к их описанию и прогнозированию. Решение поставленной проблемы зависит от обоснования общего структурного параметра для оценки проницаемости и механических свойств волокнистых материалов. Актуальной является проблема получения материалов с улучшенными механическими свойствами при регулируемом воздействии на их пористость.

1.1 ПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА.

ПРОНИЦАЕМОСТЬ НЕТКАНЫХ ИГЛОПРОБИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Согласно принятым представлениям [4 – 7] течение жидкости и газа в пористом теле связано с преодолением сил инерции и вязкости, что отражается использованием двухчленного закона фильтрации [5 – 7]. Инерционная составляющая процесса течения вещества в пористом теле учитывается при относительно высокой скорости фильтрации или турбулентном режиме течения потока. При малых скоростях фильтрации или ламинарном режиме течения сопротивление движение газа или жидкости определяется их вязкостью [6, 7]. Режимы течения веществ в пористом теле устанавливаются согласно уравнению Рейнольдса [6, 7].

Прогнозирование скорости фильтрации газа и жидкости в пористом теле достигается при использовании закона дАрси [6, 7], который устанавливает связь между скоростью фильтрации среды и ее давлением, и используется для описания различных режимов течения. В качестве структурного параметра пористого тела используется коэффициент проницаемости, расчет которого производится из зависимости скорость фильтрации – давление. Природа вещества при расчете коэффициента проницаемости отражается использованием в расчетном уравнении его плотности и вязкости [6, 7].

Первоначально закон дАрси использовался для оценки скорости фильтрации воды под действием силы тяжести в низкопористых материалах, представляющих зерновые слои различной природы [4, 7]. В дальнейшем была показана возможность его использования для прогнозирования процессов течения жидкостей различной химической природы и газов [7].

Наиболее простая форма линейного закона дАрси устанавливает прямо пропорциональную зависимость скорости фильтрации газа или жидкости от давления и обратно пропорциональную зависимость от толщины пористого тела и вязкости среды [5 – 7]. Уравнение модели описывает линейную зависимость скорость фильтрации – давление или линейный участок такой зависимости, а коэффициент проницаемости рассчитывается как тангенс угла наклона линейной зависимости или ее линейного участка.

Необходимость введения в уравнение дАрси толщины пористого тела связана с использованием для ее описания капиллярной модели пористости (Козени-Карман) [7], согласно которой пористые тела рассматриваются как связка трубок одного или различных диаметров. Такое допущение определяет использование закон Пуазейля, согласно которому скорость течения газов или жидкостей из трубки обратно пропорциональна ее длине или, применительно к пористым телам, их толщине. Проблема использования капиллярной модели структуры пористых тел для описания течения газов и жидкостей сводится к тому, насколько законы, описывающие их течение в единичном капилляре, применимы для описания течения в пористых телах [7].

Известна сложная зависимость скорость фильтрации – давление, которая отличается от линейной зависимости [22 – 26]. Наиболее распространенным объяснением отклонения зависимости скорость фильтрации – давление или нарушения линейного закона ДАрси заключается в том, что при увеличении скорости течения вещества в пористом теле вследствие ее хаотического движения возникает инерционное сопротивление движению потока. При этом предполагается, что режим движения среды в пористом теле может быть формально ламинарным [6, 7].

В некоторых случаях нарушение линейного закона фильтрации связывают непосредственно с турбулизацией потока. На основании этого осуществлялись неоднократные попытки, по аналогии с трубной гидравликой, связать нарушение линейного закона фильтрации с критическим значением числа Рейнольдса [6, 7]. Предлагались различные модификации этого параметра применительно к характеристикам пористого материала различной природы. Тем не менее, разброс критических значений Rе (часто на порядок и более) не позволяет сделать определенного заключения о причинах нарушения линейного закона фильтрации. Сделан вывод о том, что механическое взаимодействие фильтрационного потока с пористым телом не является единственным и основным фактором, определяющими режим течения газа или жидкости. Движение вещества зависит также от физико-химических факторов пористого тела. Сложный вид зависимости скорость фильтрации – давление может быть следствием изменения пористости и ее структурой в процессе фильтрации, и уменьшения пористости при деформации тела под действием давления потока среды [6, 7].

При использовании подхода ДАрси разработано несколько моделей для прогнозирования коэффициента проницаемости пористого тела или скорости фильтрации жидкостей и газов [6, 7]. Модели устанавливают зависимость данных параметров проницаемости от коэффициента пористости и определенных структурных характеристик пор, вытекающих из капиллярной модели пористости. В качестве структурных характеристик пор используются их диаметр или извилистость, а также их комбинации[6, 7]. При использовании в качестве характеристики пор их диаметра, возникает проблема оценки части пор, которая смачивается жидкостью. При фильтрации жидкостей для этой цели используется параметр гидравлического диаметра пор, который также используется при оценке характеристик пор в процессе фильтрации воздуха. Известны примеры применения в моделях нескольких параметров пористости.

Исследования проницаемости волокнистого материала направлены на определение характеристик одно- и многофазового переноса газов или жидкостей [27 – 87]. Однофазовый перенос связан с определением проницаемости материала при течении жидкостей или газов, в то время как исследования многофазового переноса связаны с течением жидкостей и газов, содержащих твердые частицы. При проведении исследований многофазового переноса, дополнительно к оценке проницаемости материала, определяются характеристики процесса улавливания частиц, или эффективности фильтрации. Отдельной проблемой исследования многофазового переноса является определение изменения проницаемости материала в процессе накопления осадка твердых частиц.

При фильтрации воздуха и жидкостей в волокнистых материалах в качестве стандартных параметров используются показатели воздухопроницаемости и водопроницаемости [83], представляющие удельный расход вещества при его нормированном давлении. При расчете данных характеристик проницаемости волокнистого материала не учитывается их толщина. Другой стандартной характеристикой фильтрации воды в волокнистом материале является коэффициент фильтрации [83], при расчете которого учитывается давление воды и толщина материала, но в расчет не включены физические характеристики воды, что ограничивает применение данного подхода для оценки проницаемости различных жидкостей.

Существует определенная специфика оценки пористой структуры волокнистых материалов. Для этой цели используются параметры, отличные от параметров оценки пористой структуры зерновых слоев и твердых материалов. К таким структурным характеристикам материала относится поверхностная плотность [28], объемная плотность, коэффициент заполнения [31] и комбинация коэффициента заполнения и толщины [75]. Использование подхода дАрси для оценки проницаемости волокнистых материалах при фильтрации воздуха является предметом дискуссии [28, 32, 37, 76], что связано с зависимостью плотности и вязкости воздуха от давления и сложной траекторией движения потока вещества в порах, представляющих пространство между волокнами.

Разработка модели для прогнозирования воздухопроницаемости и водопроницаемости иглопробивного материала связана с обоснованием структурного параметра или их комбинации, в максимальной степени отражающих течение среды. В основном разработаны модели для прогнозирования воздухопроницаемости иглопробивного материала.

В работах [28, 31] воздухопроницаемость волокнистых материалов связана с одной структурной характеристикой, в качестве которой первоначально использовалась поверхностная или объемная плотность. Позднее было установлено [31], что для этой цели более эффективно использовать коэффициент заполнения волокон, рассчитанный как отношение плотности материала к плотности волокна. В результате для прогнозирования влияния структуры волокнистых материалов на их воздухопроницаемость предложены эмпирические модели, уравнения которых содержат две переменные с неявным физическим смыслом.

Особенностью моделей [28, 31], связанных с определением влияния структурных характеристик волокнистых материалов на их воздухопроницаемость, является отсутствие в расчетных уравнениях толщины материала.

Исключение толщины в модели Кирша [3, 37] основано на теоретических представлениях о структуре нетканого материала, согласно которым волокнистые материалы представляют собой решетку или набор нескольких решеток с различным расположением друг относительно друга. Скорость фильтрации веществ в таких системах зависит от размера ячейки решетки и не зависит от ее толщины. Модель решетки не является единственной, так как учет толщины волокнистых материалов возникает при использовании для описания их пористости модели смещенных решеток [6].

Влияние толщины волокнистых материалов на их проницаемость исследовано Касторновым [34 – 36]. В качестве объектов использовали материалы из металлической проволоки различного диаметра. Показана зависимость коэффициента проницаемости от толщины материалов с близкими значениями коэффициента пористости менее 0,5. С увеличением их толщины происходит снижение гидравлического диаметра пор. Однако данная тенденция сохраняется только до определенной толщины материалов, которая зависят от диаметра волокон и пористости. Моделирование влияния пористости волокнистых материалов на скорость фильтрации в них жидкостей и газов выполнено при использовании в расчетном уравнении коэффициентов, определяемых экспериментальным способом.

В модели Куличенко [75], предложенной в 2006 году для прогнозирования воздухопроницаемости нетканых материалов различного способа изготовления, в качестве структурного параметра используется комбинация коэффициента заполнения и толщины материала. При таком подходе к проблеме моделирования скорости фильтрации воздуха в волокнистых материалах удалось перейти от уравнения с двумя эмпирическими переменными к уравнению с одной переменной. В то же время модель не применялась для прогнозирования зависимости воздухопроницаемости иглопробивного материала от режимов иглопрокалывания и обработки.

Объектами исследования процесса многофазового переноса газов и жидкостей в волокнистых материалах являются проницаемость и эффективность фильтрации или эффективность улавливания механических примесей различной природы [32 – 37, 39, 42, 47, 51, 57, 73, 74]. Фильтрующие материалы классифицируются в соответствии с их проницаемостью и эффективностью фильтрации. Проницаемость материалов оценивается начальными характеристиками, которые определяются без учета накопления осадка [83].

Также используется метод, связанный с определением проницаемости материала в процессе фильтрации среды. Эффективность улавливания твердых частиц оценивается коэффициентом полноты фильтрации и коэффициентом фракционной полноты фильтрации (тонкость фильтрации) [83].

Механизм фильтрации воздуха [27] определяется задержкой частиц между волокнами, инерционным или диффузионным захватом на поверхности частиц. Задержка частиц достигается при их размере, большем расстояния между волокнами. Инерционный захват частиц достигается при обтекании потока воздуха волокон и инерционном движении частиц к поверхности волокна. Диффузионный захват частиц имеет место при малой скорости фильтрации и движения частиц к поверхности волокна под действием теплового движения молекул воздуха. Реализация каждой составляющей процесса фильтрации определяется скоростью течения воздуха. Эффективность фильтрации воздуха волокнистыми материалами зависит от диаметра волокон, плотности их упаковки, состояния поверхности и формы поперечного сечения волокон [27, 32 – 37, 50, 53, 64, 73 – 76].

Определение проницаемости и эффективности фильтрации проводится при нормированных условиях испытаний [83]. К условиям определения фильтрации относят давление среды, которое определяет скорость фильтрации, а также содержание и гранулометрический состава твердой фазы, которая удаляется в процессе фильтрации. Показана [27] зависимость эффективности фильтрации от скорости течения среды в волокнистом теле. Наиболее существенное значение условия процесса фильтрации имеют при очистке воздуха, что связано с варьированием скоростью фильтрации и изменением в силу этого механизма фильтрации [27].

Показан сложный механизм улавливания твердых частиц на поверхности волокон и его зависимость от структуры материала и скорости фильтрации [27, 32, 51]. Удержание твердых частиц на поверхности волокна достигается за счет сил межмолекулярного взаимодействия [27]. К наиболее важным структурным характеристикам при улавливании твердых частиц относят диаметр волокон и плотность их упаковки. При использовании различных подходов расчет эффективности фильтрации воздуха волокнистыми материалами зависит от скорости фильтрации, которая определяет механизм улавливания твердых частиц [27]. Максимальная эффективность фильтрации достигается за счет инерционной составляющей процесса [27].

Эффективная фильтрация газов и жидкостей достигается при использовании иглопробивного материала поверхностной плотностью более 0,5 кгм– [73, 74]. Применение такого материала для фильтрации воздуха обеспечивает улавливание частиц размером более 20–25 мкм. Фильтрация воды характеризуется значительным снижением эффективности процесса [39, 40, 46 – 48, 70]. Структура иглопробивного материала обеспечивает улавливание твердых частиц при фильтрации газов и жидкостей в объеме материала, что затрудняет его регенерацию и повторное применение.

Можно выделить ряд проблем исследования и моделирования процесса проницаемости волокнистых материалов. Подход для описания процесса течения вещества в пористом материале зависит от его фазового состояния и использованной модели для описания пористой структуры материала. Для описания процесса фильтрации жидкостей и газов в низкопористом материале, представляющем зерновые слои и обладающего порами, стенки которых ограничены твердой поверхностью, используется подход дАрси, разработанный на основе закона Пуазейля течения жидкости в одиночном капилляре. Применение такого подхода требует выполнения ряда условий течения жидкости в порах материала, таких как ламинарный режим течения, постоянное значение вязкости и плотности вещества в порах, последнее выполняется при фильтрации жидкостей и не выполняется при фильтрации газов.

Другим требованием закона Пуазейля является применение капиллярной модели к описанию пористой структуры волокнистых материалов.

Поры волокнистого материала отличаются от пор зерновых слоев или твердого материала, прежде всего отсутствием сплошных стенок, которые формируются как пересечение волокон. Такой способ формирования стенок пор исключает образование их сплошной поверхности. Специфика формирования поверхности пор волокнистого материала и их сложная форма, связанная с различной степенью ориентации волокон в плоскости и по толщине материала, приводит к сложной траектории движения потока жидкости и газа, связанной с нарушением ориентации потока и возможности многократного изменения направления его течения. Специфика течения газов и жидкостей в волокнистом материале может привести к отличию их течения в отдельном капилляре и ограничить применение для описания течения закона Пуазейля.

Характеристики оценки проницаемости газов и жидкостей в волокнистых материалах отличаются от характеристик оценки проницаемости зерновых слоев или пористых материалов твердых тел. Стандартные методы оценки проницаемости волокнистого материала требуют определения удельного расхода вещества при нормированном давлении, величина которого зависит от стандарта и значительно отличается. При этом исключаются из рассмотрения структурные характеристики волокнистого материала, которые учитываются при описании течения жидкостей и газов в низкопористом теле. Частично это учитывается при использовании для оценки проницаемости волокнистого материала коэффициента фильтрации, однако при этом исключается использования характеристик жидкости.

Оценка проницаемости иглопробивного материала при использовании показателя воздухо- или водопроницаемости ограничено условиями эксперимента и имеет сравнительный характер проницаемости материалов в условиях эксперимента. При изменении давления фильтрации воздуха, что применяется, в том числе, в различных методиках определения воздухопроницаемости, от экспериментальной величины использование показателя воздухопроницаемости для определения скорости фильтрации ограничено. Использование для расчета воздухопроницаемости при различном давлении воздуха коэффициента воздухопроницаемости является обоснованным при линейной зависимости воздухопроницаемость – давление, что требует доказательства.

1.2 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 иглопрокалывания, 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.

Способы тепловой обработки иглопробивных материалов включают в себя методы термоскрепления и термофиксации полотен. Термоскреплению подвергаются материалы, изготовленные из волокон одного вида или из смеси волокон с различной температурой плавления. В первом случае, как правило, используются низкоплавкие волокна, такие как полипропиленовое, поливинилхлоридное волокно. Известны примеры применения для данной цели материалов, изготовленных из относительно высокоплавких полиэфирных волокон. При использовании термофиксации обработка материала проводится при температуре ниже температуры плавления волокон, и ее следствием является снижение остаточных напряжений.

Термоскрепление и термофиксация отличаются условиями проведения процесса и достигаемым изменением структуры и свойств обработанного материала. Термоскрепление материалов проводится при температуре выше температуры плавления волокна или одного из компонентов смеси волокон.

Термофиксация проводится при температуре ниже температуры плавления волокон, и связана с прогревом материала различными техническими способами. Термоскрепление иглопробивных материалов достигается обработкой нагретым воздухом и каландрированием. Необходимым условием реализации метода обработки материала горячим воздухом является введение в состав материалов волокон с различной температурой плавления.

Модификация иглопробивных материалов методом пропитки растворами и дисперсиями полимеров приводит к уменьшению пористости. Кроме того, практически исключается возможность ее регулирования, что является следствием зависимости пропитки от неравномерного распределения плотности упаковки волокон. Сохранение в процессе обработки пористости, формируемой на стадии иглопрокалывания, достигается при применении тепловой обработки материалов, изготовленных из смеси высоко и легкоплавких волокон. Для модификации иглопробивных материалов, в основном, используется способ их обработки горячим воздухом, который достаточно хорошо описан в литературе.

Модели для прогнозирования прочности иглопробивного материала построены исходя из поведения активных волокон в пучках. При этом в модели отсутствуют структурные факторы, определяющие механизм растяжения и сжатия. Предложены модели, которые используют в качестве структурного фактора ориентацию волокон. Такие модели, в основном, учитывают влияние режимов прокалывания на прочность материала и отражают, прежде всего, зависимость прочности от плотности прокалывания.

Практически отсутствуют исследования деформационных характеристик иглопробивного материала при его растяжении. Предложенные параметры для оценки деформационных характеристик имеют недостатки, возникающие при использовании моделей для оценки зависимости прочностных характеристик материала от его структуры. Вопросом дискуссии является обоснование возможности применения подхода механики сплошных сред и его параметров для описания деформационных характеристик волокнистых систем с различными типами связей между волокнами.

Более детально исследована деформация сжатия иглопробивного материала, однако такие работы носят единичный характер. Такое состояние проблемы исключает возможность обобщения отдельных результатов и выработки общего подхода к исследованию и описанию данного процесса деформации. Предложенная эмпирическая модель для прогнозирования сопротивления материала сжатию может использоваться для решения поставленной цели в условиях эксперимента. Не представлены пути расширения возможности предложенной модели и возможность ее применения в условиях, отличающихся от условий эксперимента.

Предложенные рецептурные и технологические способы модификации механических характеристик иглопробивных материалов имеют односторонний характер, связанный с достижением требуемого результата без рассмотрения их влияния на изменение пористости и ее структуры. Как правило, такие способы приводят к уменьшению пористости, и не обеспечивают целенаправленное формирование высокопористых материалов для использования при фильтрации газов и жидкости и при использовании в качестве волокнистого сорбента.

НА ОСНОВЕ НЕТКАНЫХ ИГЛОПРОБИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Состояние воды, поступающей в производство из природных источников, требует в процессе ее подготовки не только фильтрации, но и удаления нефти и нефтепродуктов [133 – 182]. Практическое значение имеет материал, при использовании которого достигается фильтрация воды и избирательная сорбция нефти и нефтепродуктов. Проблемой является удаление на твердой поверхности производственных помещений аварийных проливов различных органических жидкостей.

Иглопробивной материал используется для удаления аварийных проливов нефти и нефтепродуктов на твердых поверхностях и для их удаления из воды. Показано использование иглопробивного материала для поглощения нефти и нефтепродуктов, в меньшей степени исследован вопрос их применения для удаления разливов различных органических жидкостей. При сорбции нефти и нефтепродуктов выявлена зависимость сорбционной емкости иглопробивного материала от химической природы волокон, наиболее оптимальным считается использование полипропиленового волокна [162, 166, 181, 182]. Однако на практике используются материалы, изготовленные из различных волокон, в основном из полиэфирного волокна, что связано с проблемой длительного хранения сорбента под открытым солнцем и в условиях низкой температуры.

Эффективность очистных мероприятий зависит от концентрации нефти и нефтепродуктов и увеличивается с возрастанием их концентрации или толщины нефтяной пленки. При использовании иглопробивного материала для удаления нефти, впитанной в грунт или в пористое тело, эффективность очистных мероприятий снижается [162].

При переходе от статических условий поглощения нефти и нефтепродуктов к условиям поглощения в режиме фильтрации их смеси с водой сорбционная емкость материалов снижается с 5–20 кг/кг до менее 1 кг/кг, соответственно [169, 168]. В таких условиях сорбция нефти и нефтепродуктов достигается при относительно низкой скорости фильтрации смеси жидкостей.

Не известно применение иглопробивного материала для разделения растворов различных жидкостей.

Объектом исследований является сорбционная емкость иглопробивного материала [109], которая, согласно принятым методикам, рассчитывается как масса сорбированной жидкости на массу сорбента.

Представленные данные показывают, что на практике используются иглопробивные материалы, значительно отличающиеся по показателю сорбционной емкости [133 – 182]. Исследования кинетики сорбции нефти и нефтепродуктов не имеют практического значения, что связано с высокой скоростью поглощения жидкостей при различных условиях проведения очистных мероприятий.

Для описания процессов сорбции веществ пористыми телами, в том числе волокнистыми материалами, используются термодинамический подход [183] и теория поднятия жидкостей в капиллярах [183]. Термодинамический подход не дает сведений о кинетике процессов сорбции или сорбционной емкости пористого тела. Основной задачей такого подхода является определение условий самопроизвольного протекания процесса сорбции и определение наиболее оптимального по химической природе сочетания сорбент-сорбат. В работе [183] сделана попытка связать термодинамические характеристики процесса с сорбционной емкостью материалов. Однако такой подход не получил дальнейшего развития.

В капиллярной теории сорбции жидкостей основным является вопрос, насколько законы, описывающие поведение жидкостей в одиночном капилляре, можно применить для описания реального процесса их поглощения пористыми телами. Скорость поднятия жидкости в капилляре определяется законом Уошбурну и Пуазейля [183]. Время достижения равновесного содержания жидкостей в пористых телах, по своей структуре приближающихся к волокнистым сорбентам, достаточно мало.

Кроме капиллярной теории сорбции жидкостей пористым материалом предложено еще несколько теорий. Наиболее известной является теория [183], которая не связывает сорбционные характеристики пористого тела непосредственно с диаметром его капилляров и химической природой пористого материала. Данная теория основана на аналогии между процессами массопереноса веществ в телах и потоком тепла или электричества. Механизм процессов переноса вещества не рассматривается, а определяется количественная взаимосвязь между внешними условиями процесса сорбции и потоком вещества в пористом теле.

Существует ряд нерешенных проблем, ограничивающих эффективность использования иглопробивных материалов для сорбции жидкостей.

Применение для этой цели различных иглопробивных материалов, отличающихся составом и структурой, свидетельствует о нерешенной задаче оптимизации структуры, формирование которой приводит к получению материала с максимальной сорбционной емкостью. Представленные данные не раскрывают влияние состава и технологических способов изготовления иглопробивных материалов на их сорбционные характеристики. Общей проблемой применения волокнистых сорбентов является снижение их механических характеристик при контакте с жидкостями, что ограничивает проведение очистных мероприятий, связанных с извлечением сорбентов.

Не исследованы сорбционные характеристики обработанных материалов, содержащих бикомпонентные волокна [184 – 206], и зависимость их сорбционной емкости от пористой структуры, формируемой различными рецептурными и технологическими способами. Не решена проблема прогнозирования сорбционной емкости иглопробивных и обработанных материалов известной пористой структуры.

Анализ показывает различные методики определения сорбционной емкости волокнистых материалов, что ограничивает сравнение экспериментальных результатов различных источников. Общими условиями проведения эксперимента являются нормированное время выдержки образцов в жидкости и удаление ее избытка. Время выдержки образцов определяется необходимостью достижения равновесного содержания жидкости в образце, что является общим условием различных методик проведения эксперимента. На стадии удаления избытка жидкости наблюдаются значительные расхождения в методике определения сорбционной емкости. Такие различия связаны с формой и размерами образцов, которые приводят к разной высоте стекания поглощенной жидкости, что может существенным образом повлиять на результат исследования.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объектов исследования использовали иглопробивные материалы, изготовленные промышленным способом из полиэфирных волокон линейной плотности 0,33, 0,6, 1,1 и 1,7 текс (ТУ 6-13-0204077-95-91, Могилевский комбинат Химволокно) и их смесок с бикомпонентными волокнами линейной плотности 0,44 текс (Республика Корея). Для изготовления образцов использовали смески при отношении полиэфирного волокна к бикомпонентному волокну как 93:7, 90:10, 85:15, 80:20, 70:30, 50:50 и 30:70. Структура бикомпонентных волокон – ядро из полиэтилентерефталата и оболочка из низкомолекулярного полипропилена с температурой плавления 110–130 оС.

Использовали иглопробивные материалы из смески полиэфирных волокон линейной плотности 0,33 текс и полипропиленовых волокон линейной плотности 0,67 текс (ТУ 2272-007-5766624-93, Московский нефтеперегонный завод). Содержание полипропиленовых волокон в смесках составило 10, или 30%. Использовали иглопробивные материалы на основе смески полиэфирных, полипропиленовых и бикомпонентных волокон в отношении как 60:20:20, соответственно. Поверхностную плотность иглопробивных и обработанных материалов изменяли от 0,10 до 1,2 кг/м2, а объемную плотность – от 80 до 250 кг/м3.

Для получения иглопробивного материала использовали экспериментальные полипропиленовые волокна, изготовленные методом одноосной вытяжки (фибрилляции) полипропиленовой пленки толщиной 15 мкм (НИИпластмасс, г. Москва). Ширина поперечного сечения волокон изменялась от 15 до 50 мкм с небольшим содержанием волокон шириной до 100 мкм. Длина резки волокон составила 55 мм. Использовали не извитые волокна.

Иглопробивной материал различного состава изготавливали по промышленной технологии ОАО «Монтем» – Московский завод нетканых материалов. Смешение волокон выполняли на установке Темафа (Германия), точность смешения при содержании одного компонента более 20% составляла ±10%. При уменьшении содержания одного компонента точность смешения снижалась до величины ±15%. Волокнистые холсты формировали механическим способом при использовании раскладчика фирмы Аутефа (Германия), агрегированного к чесальной машины линии Шпиннбау (Германия). Также использовали аэродинамический способ формирования волокнистого холста на головке агрегата Феррер (Австрия).

Упрочнение волокнистых холстов выполняли методом прокалывания на агрегате Дилум (Германия). В процессе упрочнения волокнистого холста использовали одно- и двухстороннюю обработку иглами при плотности прокалывания от 60 до 780 см-2. При одностороннем прокалывании протяжка в продольном направлении материалов составляла величину 45% и при двухстороннем иглопрокалывании увеличивалась до 95%. Для получения ворсованного материала иглопробивное полотно обрабатывали на агрегате Дилур (Германия), при одностороннем прокалывании корончатыми иглами фирмы Зингер. Ворсование выполняли на щеточном транспортере.

В качестве стандартных методов тепловой обработки иглопробивного материала различного состава использовали обработку нагретым воздухом и обработку на валковом каландре. Обработку нагретым воздухом выполняли на промышленной установке АТУ-2500. Установка имела четыре изолированных камеры, температура в каждой камере: 160–165–170–170 0С. Скорость обработки нагретым воздухом изменяли от 1 до 6 м/мин. Обработку материалов выполняли на валковом каландре фирмы Коломбо (Италия), при температуре вала 162–165 0С, скорости 1–5 м/мин и зазоре между валами, равным 0,2 от толщины материалов.

Метод исследования пористости.

Оценка пористости материалов выполняли определением ее истинного и кажущегося объема. Для определения объема пористости использовали образец в форме диска диаметром 0,01 м2. Истинный объем пористости материалов находили по формуле:

где V1 – объем образца, м3 (по ГОСТ 3811-72); m1 – масса образца, кг; плотность смески волокон, определенная пикнометрическим способом, кг/м3.

Истинную пористость материала Wи (%) находили по формуле:

Для определения кажущегося объема пор стопку образцов в количестве семи штук погружали в определенную жидкость комнатной температуры на 72 час, что обеспечило полное заполнение пористости жидкостью и вытеснения из нее воздуха. Стопку образцов извлекали из жидкости и удаляли верхний и нижний диски. Оставшиеся образцы помещали в бюкс известной массой и взвешивали. Кажущийся объем пористости находили по формуле:

где m2 – масса образца после выдержки в воде, кг; в - плотность жидкости, кг/м3. Кажущуюся пористость материала (%) определяли по формуле Пористость материалов, доступная для переноса жидкости, оценена отношением WК/WИ.

Методы определения структурных характеристик.

В качестве структурных характеристик иглопробивных материалов использовали показатели объемной и поверхностной плотностей, определенные по ГОСТ 15902.2-79.

Метод определения размеров пор.

Для определения размеров пор иглопробивного и обработанного материала использовали метод, связанный с фиксацией давления продавливания воздушного пузырька. Метод основан на измерении давления, необходимого для продавливания пузырьков воздуха через поры материала, погруженного в жидкость известным поверхностным натяжением. На рис. 2.2.1 показана установка для определения размеров пор.

Рис. 2.2.1 Схема установки для определения максимального и среднего размера пор: 1 – баллон; 2 – редуктор; 3 – фильтр; 4 - манометр Поверх материала, предварительно выдержанного в течение 15 часов в воде, наливали слой воды толщиной 3-6 мм выше поверхности образца. Из баллона 1 через редуктор 2 под образец 3 подавали воздух, постепенно увеличивая давление, которое фиксировали манометром 4. При появлении первого пузырька фиксировали давление, которое использовали для определения максимальных по размеру пор. С повышением давления, количество пузырьков увеличивалось и наступал момент, когда пузырьки выходили из многих пор по всей поверхности (эффект кипения жидкости). При давлении «закипания» жидкости определяли значение среднего диаметра пор. Расчет максимального и среднего диаметра пор выполняли согласно уравнению:

где в – поверхностное натяжение воды, дин/см; Р – давление, при котором появлялся первый пузырек или давление «закипания» жидкости на поверхности материала, кг/см2.

Методы исследования фильтрующих характеристик.

Фильтрующие характеристики иглопробивного и обработанного материала определяли с использованием безнасосной установки, или установки вакуумного фильтрования. Установка вакуумного фильтрования состоит из следующих основных частей (рис. 2.2.2): ячейки фильтровальной 1, эжектора 2, крана шарового 3, ниппеля 4, соединительных шлангов 5 и 6, хомутов 7.

Ячейка 1 включает в себя коллектор 8 с основаниями 9, на верхнем торце которых устанавливают образцы материала 10. Краны 11 предназначены для запирания отсасывающего канала воронки. Коллектор имеет опоры 12, штуцер 13 для присоединения вакуумного шланга 5 и дроссельный винт 14 для заполнения системы воздухом. Воронка 15 снабжена зажимом 16 и крепится на основании 9. Эжектор 2 включает в себя сопло 17 со штуцером для присоединения шланга 6 от водопровода, приемную камеру 18 со штуцером 19 для присоединения шланга 5 от ячейки 1, смесительную камеру 20 с диффузором и манометр 21. Эжектор подключают к водопроводу при помощи шланга 6, крана 3, ниппеля 4 и хомутов 7.

Рис. 22.2 Установка вакуумного фильтрования: 1 – ячейка фильтровальная; 2 – эжектор; 3 – кран шаровой;

4 – ниппель; 5 и 6 – соединительные шланги; 7 – хомуты; 8 – коллектор; 9 – основания коллектора; 10 – фильтрующий материал; 11 – краны; 12 – опоры коллектора; 13 – штуцер; 14 – дроссельный винт; 15 – воронка; 16 – зажим пружинный; 17 – сопло эжектора; 18 – приемная камера; 19 – штуцер приемной камеры; 20 – смесительная камера; 21 - манометр Предварительно готовили суспензию частиц оксида железа в воде. Содержание твердой фазы в суспензии составило 0,5%. Смоченный образец известной массы помещали в измерительную ячейку и закрепляли для создания герметичности. Включали эжектор и при закрытой ячейке убеждались в достижении и поддержании требуемого разряжения под образцом фильтрующего материала. При непрерывном перемешивании суспензию выливали в течение 30 с через образец. После проведения испытаний образец извлекали из зажимов таким образом, чтобы исключить потерю твердых частиц с поверхности фильтрующего материала. После сушки образца повторно определяли его массу.

Методы исследования распределения пор.

Распределения пор по размерам определили на установке, схема которой представлена на рис.2.2.3.

Рис. 2.2.3 Общий вид прибора для определения гетеропористости 1 – образец нетканого материала; 2 – стеклянная трубка; 3 – колба;

4 – пропиловый спирт; 5 – резиновая пробка; 6 – резиновая пробка с держателем; 7 – отметки на образце Согласно этому способу, полоску исследуемого материала длиной 30 см и шириной 1 см с заранее нанесенными карандашом делениями подвешивали в длинной стеклянной трубке к проволочному крючку, закрепленному в пробке. Пробка закрывала верхний конец стеклянной трубки. Нижний конец трубки помещали в эрленмейровскую колбу таким образом, чтобы конец полоски материала был на 2 см погружен в жидкость, налитую на дно колбы. В качестве такой жидкости использовали пропиловый спирт, полностью смачивающий использованные в работе волокна. Горло колбы для предохранения испарения спирта должно быть закрыто пробкой с отверстием, соответствующим диаметру стеклянной трубки. Деления на полоски образца нетканого материала наносили, отступая 2 см от их нижнего края. Расстояние между каждыми соседними делениями составляло 0,5 см.

Полоска в течение 10 суток находилась в контакте со спиртом, что было достаточно для достижения равновесного поглощения образцом жидкости. После этого прибор разбирали, полоску нетканого материала быстро извлекали из стеклянной трубки и разрезали на куски согласно предварительно нанесенным делениям. Содержание спирта в полученных отрезках образца нетканого материала определяли путем взвешивания их до и после пребывания в приборе. Зная распределение спирта по высоте образца и определив по закону капиллярного поднятия средние радиусы капилляров различных групп (фракций), соответствующих определенному интервалу высот полоски, можно подсчитать количество, площадь сечения и объем капилляров каждой группы. Средний радиус капилляров r каждой группы вычисляли по формуле:

где с - поверхностное натяжение пропилового спирта, дин/см; h – средняя высота данного деления на полоске образца, м; g – ускорение силы тяжести, м/с; - плотность пропилового спирта, кг/м3. Количество капилляров N в каждом интервале значений их диаметров рассчитывали из уравнения (2.2.7):

где Рi и Рi+1 – масса спирта в i-ом отрезке от начального деления, находящегося над уровнем спирта, и в следующем выше находящемся отрезке той же длины, соответственно; - длина отрезка, см.

Площадь сечения капилляров каждой группы в сумме с площадью сечения всех капилляров меньшего диаметра определяли по уравнению:

Отсюда площадь сечения капилляров, отвечающая средней высоте каждого деления, выразится уравнением (2.2.9):

Метод исследования полноты и тонкости фильтрации.

Полнота фильтрации характеризует степень очистки жидкости от твердых частиц, однократно пропущенной через исследуемый образец материала при перепаде давления P = 0,5 кг/см2 и выражается коэффициентом :

где х0 – весовое содержание загрязнений в суспензии, кг; х – весовое содержание загрязнений в фильтрате, кг.

Тонкость фильтрации характеризует степень очистки жидкости от твердых частиц определенных размеров или максимальный размер частиц, прошедших через испытуемый образец фильтрующего материала. Тонкость фильтрации выражается минимальным размером частиц, для которых коэффициент отсева п для каждого интервала размеров частиц равен 1.

где К0 – количество частиц данного интервала размеров в суспензии, шт.; К – количество частиц данного интервала размеров в фильтрате, шт.

Для определения полноты фильтрации на установке вакуумного фильтрования (рис. 2.2.2) через исследуемый образец фильтрующего материала прокачивали при P = 0,5 кг/см2 жидкость, загрязненную пылью с известной полидирсперсностью твердых частиц. Дисперсный состав пыли, применяемой для искусственного загрязнения жидкости до и после фильтрации, определяли при использовании системы анализа изображений «ВидеоТесТ».

Система ВидеоТесТ (рис. 2.2.4) позволяет проводить морфологический, морфометрический, стереологический и статистический анализы макро- и микрообъектов. Изображения получают телекамерой с микроскопа, при наличии телеобъектива – с фотокамеры. Телевизионный сигнал TV-камеры передается на плату ввода изображений 2 и для визуализации на монитор видеоконтрольного устройства 3 или в видеоокно монитора компьютера. В плате ввода TV-сигнал оцифровывается, и изображение в цифровой форме передается в ОЗУ компьютера 4 для обработки и анализа с помощью программы «ВидеоТесТ». Предельные возможности системы «ВидеоТесТ» связаны с обнаружением частиц размером более 0,6 мкм. Ручная обработка полученного видеоизображения твердых частиц позволяет их разделение при агрегировании или при совмещении пространственного расположения частиц.

Рисунок 2.4. Принципиальная схема САИ «ВидеоТесТ»:

Рис. 2.2.4 Схематическое изображение системы ВидеоТест:

1 – TV-камеры; 2 – плата ввода изображений; 3 – монитор видеоконтрольного устройства; 4 – видеоокно компьютера.

Методы исследования сопротивления материала фильтруемому потоку.

Исследования по определению сопротивления потоку жидкости проводили на установке вакуумного фильтрования. Изменение сопротивления оценивали по пропускной способности материалов. В качестве показателя использовали относительный коэффициент пропускной способности КПС:

где ПСисх, ПС – пропускная способность образцов иглопробивного материала и модифицированного материала соответственно, л/мин;.

В ходе испытаний при равных условиях (температура воздуха, температура жидкости, давление) через образцы фильтрующих материалов пропускали в течение одной минуты жидкость и измеряли ее объем.

Методы исследования аэродинамического сопротивления.

Измерение начального аэродинамического сопротивления фильтрующего материала проводили по ГОСТ В16787-71 «Методикой проведения испытаний фильтрующих материалов на воздухопроницаемость».

Для измерения использовали прибор ATL-2MFG (рис. 2.2.5). Образец помещали в приемную воронку измерительного устройства и закрепляли специальными зажимами на рабочем столике. В измерительном устройстве достигали определенный расход воздуха через образец и измеряли разряжение, необходимое для прокачки заданного объема воздуха. Измерение достигаемого разряжения определяли водяным манометром. Перепад давления соответствовал аэродинамическому сопротивлению материала.

Рис. 2.2.5 Принципиальная схема прибора по определению сопротивления потоку фильтруемого воздуха: 1 – исследуемый образец фильтрующего материала; 2 – прижимное устройство; 3 – сменный столик с отверстием; 4 – комплект ротаметров; 5 – всасывающий насос; 6 – микроманометр Метод исследования воздухопроницаемости фильтрующего материала.

Определение воздухопроницаемости выполнено в соответствии с требованиями ГОСТ 12.088-77 «Материалы текстильные и изделия из них. Методы определения воздухопроницаемости». Испытания провели на приборе FF– 12/A с использованием рабочего столика с отверстием, имеющим площадь см2, давление воздуха изменяли от 0 до 720 Па с шагом 10 Па. Воздухопроницаемость образцов определяли по формуле где q – объем воздуха, м3/час; S – площадь образца см2.

Методы исследования регенерируемости поверхности материала.

Основные параметры регенерируемости фильтрующих материалов определяли по следующим формулам. Коэффициент регенерируемости:

где М0 – масса твердых частиц, пропущенных через фильтрующий материал;

М – масса твердых частиц, оставшихся в фильтре.

Коэффициент очистки поверхности после регенерации:

где М0 – масса твердых частиц, пропущенных через материал; M’ – масса твердых частиц, оставшихся на поверхности фильтра.

Методика определения регенерации материалов по воздуху отличается тем, что после фильтрования образец извлекается из ячейки и встряхивается.

Для оценки регенерации использовался коэффициент очистки материала.

Методы исследования механических характеристик.

Механические характеристики иглопробивных и обработанных материалов определяли по ГОСТ 15902.3-79.

Методы определения теплофизических характеристик волокон.

Для определения потери массы волокон в процессе их нагревания и процессов фазовых переходов использовали дериватограф ДВ-1 (Венгрия). Испытания образцов массой не более 0,4 г проводили при скорости нагревании образцов 3 0С/мин до 400 0С.

3 ИГЛОПРОБИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

C УВЕЛИЧЕННЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ДЕФОРМАЦИИ

Обоснование технологии получения иглопробивных материалов с увеличенным сопротивлением растяжению и сжатию связано с установлением механизма этих процессов, который исследован не достаточно полно. Проблемой является моделирование зависимости сопротивления растяжению и сжатию от пористой структуры материалов, формируемой при варьировании рецептуры и при использовании различных способов обработки. Такое состояние проблемы исследования деформационного поведения иглопробивных материалов связано с тем, что, в основном, исследованы прочностные свойства и их зависимость от структуры материалов [83 – 95,207 – 209].

Предметом дискуссии является обоснование параметра для оценки сопротивления растяжению. Предложенные параметры для оценки сопротивления растяжению значительно отличаются друг от друга. В отечественной практике для этой цели используется промежуточное удлинение, которое фиксируется при 25%-ной нагрузке от ее разрывной величины (ГОСТ 8847В стандартах стран Западной Европы сопротивление растяжению оценивается величиной нагрузки, необходимой для достижения 5%-ного удлинения (EN ISPO 10319).

В большей степени исследован процесс сжатия иглопробивных материалов и обоснован параметр для его оценки, в качестве которого используется относительное изменение толщины под нагрузкой. Разработана эмпирическая модель для прогнозирования изменения толщины в зависимости от величины механической нагрузки. Однако предложенная модель обеспечивает прогнозирование деформации только в условиях эксперимента, что ограничивает ее практическое значение [98, 210 – 213].

3.1 МЕХАНИЗМ ДЕФОРМАЦИИ ИГЛОПРОБИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

С УВЕЛИЧЕННЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ СЖАТИЮ И РАСТЯЖЕНИЮ

Для исследования процесса растяжения [214 – 221] и сжатия [210 – 213] иглопробивных материалов используются зависимости напряжение – деформация, общий вид которых представлен на рис. 3.1.1. Следует отметить, что данный подход не является единственным, в некоторых случаях для этой цели используются зависимости нагрузка – деформация [83].

напряжение, МПа Рис. 3.1.1. Общий вид зависимости напряжение–деформация иглопробивных материалов при растяжении (а) и изменения толщины материалов от нагрузки сжатия (б) Процесс растяжения и сжатия иглопробивных материалов протекает в две стадии [211,213, 215,219], каждая из которых отражается соответствующим участком деформационной зависимости (рис. 3.1.1). На первой стадии растяжения и сжатия относительно небольшом механическом воздействии на материалы приводит к их значительной деформации. Переход ко второй стадии растяжения или сжатия характеризуется увеличением механического воздействия, необходимого для ее развития.

Механические свойства иглопробивных материалов определяются спецификой их структуры, формируемой в процессе прокалывания холста [4 – 7]. Согласно принятым представлениям [4 – 10], иглопробивные материалы (рис. 3.1.2) состоят из пучков, которые формируются при захвате волокон зазубринами игл, и волокнами между пучками (рис. 3.1.3). Часть волокон соединяют пучки, и несет на себе механическую нагрузку (активные волокна).

Между пучками находятся волокна, которые не входят в их состав и которые не несут механическую нагрузку (пассивные волокна).

иглопробивного материала структуры при прокалывании Рассмотренная модель структуры иглопробивных материалов используется для объяснения зависимости прочности от линейной плотности волокон, длины их резки и режимов прокалывания. При увеличении длины резки волокон, уменьшении их линейной плотности, а также при увеличении плотности прокалывания возрастает содержание волокон в пучках или достигается их перевод в активное состояние. Анизотропия прочности является следствием различной ориентации волокон при использовании механического способа формирования волокнистого холста. Кроме отмеченных выше факторов преимущественная ориентация волокон в поперечном направлении полотна в процессе прокалывания увеличивает вероятность их включения в состав пучков и перевод в активное состояние.

В меньшей степени предложенная модель раскрывает механизм разрыва иглопробивных материалов, который может происходить как при выскальзывании волокон из пучков, так и при их разрыве. Сложный механизм разрыва требует установления условий реализации различных составляющих такого процесса. Предложенная модель также не объясняет двухстадийное растяжение иглопробивных материалов.

Для объяснения механизма растяжения и разрыва предложена модель, согласно которой иглопробивные материалы представляют пористое тело с неравномерной упаковкой волокон. Такая модель вытекает из рассмотренной модели, пучки представляют собой участки с высокой плотностью упаковки волокон, между ними находятся участки с низкой плотностью их упаковки.

Принципиально новыми элементами предложенной модели являются зависимость прочности связей между волокнами от плотности их упаковки, а также зависимость процесса растяжения и разрыва от отношения между прочностью волокна и прочностью связей между ними в межпучковом пространстве и в объеме пучков [214 – 220].

Небольшая плотность упаковки волокон между пучками приводит к точечному контакту между ними и незначительной прочности связи, которая меньше прочности волокон. Следствием высокой плотности упаковки и ориентации волокон в пучках является относительно большая площадь их контакта между собой. Поэтому прочность связей между волокнами в пучках может быть как меньше, так и больше прочности самих волокон.

Таким образом, начальная стадия растяжения является следствием разрушения связей между волокнами в межпучковом пространстве и их перемещения в силовом поле. При перемещении в межпучковом пространстве только активных волокон, их подвижность зависит не только от разрыва связей, но и от сопротивления со стороны неподвижных пассивных волокон.

Выводом из модели следует то, что первая стадия растяжения протекает без разрушения пучков. Остается открытым вопрос о типах перемещения волокон между пучками в силовом поле.

Вторая стадия растяжения начинается после переориентации в силовом поле волокон между пучками и связана с перераспределением механической нагрузки на волокна в пучках. Высокая прочность связей между волокнами в пучках является причиной увеличения напряжения, необходимого для развития второй стадии растяжения (рис. 3.1.1 а). При прочности связей между волокнами в пучках больше прочности волокон развитие второй стадии растяжения должно протекать без разрушения пучков и за счет удлинения волокон, разрыв которых приводит к разрушению материала. При прочности связей между волокнами в пучках меньше прочности волокон вторая стадия растяжения должна протекать за счет выскальзывания волокон из пучков, что должно отражаться их разрушением.

Модель с неравномерным распределением плотности упаковки волокон однозначно описывает механизм первой стадии растяжения материалов из синтетических волокон с относительно небольшим трением между ними.

Менее определенным является применение предложенной модели для определения механизма второй стадии растяжения, которая зависит от отношения прочности связей между волокнами в объеме пучков и их прочностью. Оценка механизма второй стадии растяжения может быть выполнена по величине ее удлинения. При зависимости второй стадии от растяжения волокон, удлинение, достигаемое при реализации данной стадии растяжения, должно приближаться к удлинению волокна при разрыве. При зависимости второй стадии растяжения от выскальзывания волокна из пучка ее удлинение должно быть значительно больше удлинения при разрыве волокна.

Выполнено экспериментальное исследование, направленное на определение аналогии между модельными представлениями о структуре иглопробивных материалов и их реальной структурой. Использовали материалы, полученные из полиэфирного волокна линейной плотностью 0,33 текс. Также целью исследований являлось определение влияния структуры, формируемой различными режимами прокалывания, на процесс растяжения и ее изменение при определенном удлинении. Использовали материалы с близкими значениями поверхностной плотности, но полученные при различной плотности прокалывания и протяжке полотна, которые варьировали использованием основного и дополнительного прокалывания. Кроме того, использовали материалы, полученные при близких параметрах основного прокалывания, но отличающиеся поверхностной плотностью.

Структура материалов отражает общие факторы, определяющие процесс растяжения (табл. 3.1.1). Фотографии поверхности материалов различной структуры представлены на рис. 3.1.4. Для контрастности боковая поверхность образцов окрашена вязкой краской.

Таблица 3.1.1. Структурные характеристики иглопробивных материалов из полиэфирного волокна линейной плотностью 0,33 текс и режимы прокалывания *плотность и протяжка основного прокалывания; **плотность и протяжка дополнительного прокалывания; ***глубина прокалывания 6 мм, для остальных – 10 мм.

Рис. 3.1.4. Боковая поверхность материалов 1, 2 и 3 согласно табл. 1.1.1 в поперечном (а) и продольном (б) направлении (нижняя часть материала на снимках соответствует стороне действия игл при основном прокалывании) напряжение, МПа Рис. 3.1.5. Зависимости напряжение–деформация в продольном (а) и поперечном (б) направлениях материалов (обозначение согласно табл. 1.1.1) Предложенная модель адекватно описывает структуру иглопробивных материалов, прежде всего, подтверждено неравномерное распределение плотности упаковки волокон для материалов различной поверхностной и объемной плотности (табл. 3.1.1). В процессе прокалывания формирование пучков достигается для материалов относительно небольшой поверхностной плотности и при минимальной плотности и глубине прокалывания. Однако поверхностная плотность и режимы прокалывания определяют плотность распределения пучков, их толщину, расстояние между ними и их длину по толщине полотна. Кроме того, отмеченные характеристики пучков зависят от направления полотна или от ориентации волокон, достигаемой на стадии формирования холста.

Основное прокалывание материала минимальной поверхностной плотности приводит к формированию в его поперечном направлении одиночных пучков, длина небольшой части из которых приближается к толщине полотна. Длина основной части пучков составляет приблизительно половину толщины (рис. 3.1.4.1 а). По сравнению с поперечным направлением в продольном направлении такого материала наблюдается значительное увеличение расстояния между пучками (рис. 3.1.4.1 б). В обоих направлениях толщина длинных пучков значительно превосходит толщину коротких пучков, что отражает различное содержание волокон в их объеме.

В поперечном направлении материала небольшой поверхностной плотности, полученного при использовании дополнительного прокалывания, уменьшается расстояние между пучками, длина всех пучков приближается к толщине полотна. Значительная толщина пучков свидетельствует о том, что они сформированы большим числом волокон (рис. 3.1.4.2 а). В продольном направлении наблюдается увеличение расстояния между пучками при сохранении их толщины и длины, характерных для пучков в поперечном направлении материалов.

В процессе прокалывания материала максимальной поверхностной плотностью, даже при снижении глубины и плотности прокалывания, в поперечном и продольном направлениях формируются короткие пучки увеличенной толщины. Как и для других материалов, расстояние между пучками в поперечном направлении материала максимальной поверхностной плотности меньше расстояния между ними в продольном направлении.

Процесс формирования пучков влияет на состояние волокон между ними. Увеличение плотности распределения пучков, их толщины и длины, уменьшает длину волокон между ними и увеличивает степень их ориентации в плоскости полотна. Однако при этом волокна между пучками имеют сложную изогнутую форму, которая зависит от степени их ориентации в плоскости полотна. По сравнению с дезориентированными волокнами волокна, ориентированные в плоскости полотна, являются более выпрямленными.

Формирование структуры материалов с неравномерной плотностью упаковки волокон определяет механизм процесса растяжения (рис. 3.1.5).

Основным фактором развития первой стадии растяжения является длина и ориентация волокон между пучками. Для материала с максимальной плотностью прокалывания и протяжкой полотна развитие первой стадии растяжения в продольном и поперечном направлениях происходит при увеличении напряжения и при этом уменьшается удлинение перехода от первой стадии растяжения ко второй стадии процесса.

В продольном направлении или в направлении, где значительная длина волокон между пучками, первая стадия растяжения различных материалов после основного прокалывания протекает при близких значениях напряжения. Переход от первой стадии растяжения ко второй стадии процесса для этих материалов происходит при близких значениях удлинения. В поперечном направлении этих материалов уменьшение расстояния между пучками приводит к увеличению напряжения развития первой стадии растяжения.

Уменьшение расстояния между волокнами отражается снижением удлинения перехода от первой стадии ко второй стадии растяжения (рис. 3.1.5).

Для определения типа перемещений волокон между пучками исследовали изменение структуры материалов на различных стадиях растяжения. На рис. 3.1.6 представлены фотографии боковых поверхностей полотен на различных стадиях растяжения, обозначение образцов согласно табл. 3.1.1. Образец помещали в разрывную машину и растягивали до заданного удлинения.

После достижения заданного удлинения машину останавливали и производили съемку, после которой образец снимали. Следующий образец растягивали на большое удлинение и производили съемку.

Рис. 3.1.6. Боковая поверхность материалов 1,2 и 3 при различных удлинениях Механизм первой стадии растяжения является общим для иглопробивных материалов различной структуры и полученных при варьировании режимов прокалывания. Растяжение материалов является следствием выпрямления волокон между пучками в направлении действия механической нагрузки и их ориентации в плоскости. Первая стадия растяжения происходит при сохранении формы, размеров и ориентации пучков. В то же время вторая стадия растяжения и разрыв материалов протекают как при сохранении пучков, так и с их разрушением. Устойчивость пучков в процессе второй стадии растяжения и разрыва зависит от эффективности прокалывания, в данном случае от поверхностной плотности.

Для материала минимальной поверхностной плотности и полученного при использовании основного прокалывания вторая стадия растяжения является следствием разрушения пучков (рис. 3.1.6 образец 1 при удлинении 0,5), что сопровождается выравниванием плотности упаковки волокон (рис. 3.1. образец 1 при удлинении 0,8). Такие характеристики второй стадии растяжения свидетельствует о том, что ее реализация является следствием выскальзыванием волокон из пучка без их удлинения и разрыва. Выскальзывание волокон из пучка также приводит к разрыву материала. Значительное удлинение на второй стадии растяжения (рис. 3.1.5), которое больше удлинения при разрыве отдельного волокна, подтверждает ее реализацию за счет выскальзывания волокон из пучков.

Для других материалов развитие второй стадии растяжения и разрыв происходит при сохранении пучков (рис. 3.1.6), что наиболее заметно для материала максимальной поверхностной плотности. Удлинение, которое достигается на второй стадии растяжения, приближается к удлинению полиэфирного волокна при разрыве, которое составляет величину порядка 0,4–0,5. Такие характеристики второй стадии растяжения свидетельствует о том, что ее реализация и разрыв материалов связаны соответственно с растяжением и разрывом волокон.

Изменение структуры поверхности материалов в процессе их растяжения рассмотрено на примере растяжения материала, изготовленного при использовании дополнительного прокалывания (рис. 3.1.7). Выбор образца связан с тем, что при использовании дополнительного прокалывания на поверхности материалов появляются четкие следы от действия игл, что обеспечивает более контрастную картину процесса растяжения. Для фиксации места растяжения на образце проведена отметка, которая на верхней части фотографий присутствует в виде белой полосы.

Рис. 3.1.7. Поверхность иглопробивного материала при растяжении Наиболее заметное изменение поверхности происходит по границе отверстий от действия игл, и наиболее выражено в продольном направлении, в котором достигается высокая степень ориентации отверстий. Увеличение растяжения приводит к соединению отдельных отверстий и формированию сплошных полос, свободных от волокон. Между полосами, не заполненными волокнами, сохраняется относительно высокая плотность упаковки волокон, и структура таких участков поверхности остается без изменения практически до предельного растяжения.

Достаточно сложно найти различие между структурой поверхности на первой стадии и второй стадии растяжения. На различных стадиях растяжения наблюдается перемещение всех волокон, без их разделения на активные и пассивные волокна. Такое разделение волокон на поверхности материала происходит при его предельном растяжении. Таким образом, формирование активных и пассивных волокон происходит в объеме материала. Наиболее заметным изменением поверхности является уменьшение ширины полос, заполненных волокнами. Изменение ширины отражает деформацию пучков и их вытягивание в направлении действия механической нагрузки.

При растяжении, близком к предельной величине, наблюдается образование дефектных участков, которые представляют собой места слияния полос, не заполненные волокнами. При предельном удлинении сохраняются участки поверхности с высокой плотностью упаковки волокон, что подтверждает механизм разрыва, связанный с разрывом волокон в межпучковом пространстве и который протекает без их разрушения.

В меньшей степени предложенная модель, связанная с неравномерной плотностью упаковки волокон, объясняет двустадийный механизм сжатия иглопробивных материалов (рис. 3.1.1б). Механизм сжатия [210 – 213] исследован съемкой боковой поверхности материалов различной структуры и полученных при варьировании режимов прокалывания, отдельные кадры такой съемки отражают изменение структуры при определенной степени уменьшения толщины (рис. 3.1.8).

Первая стадия сжатия материалов различной поверхностной и объемной плотности и полученных при разной эффективности прокалывания связана с увеличением плотности упаковки волокон поверхностного слоя определенной толщины (рис. 3.1.8). Увеличение плотности упаковки волокон поверхностного слоя наблюдается при уменьшении исходной толщины на 30– 40%. Вторая стадия сжатия начинается после выравнивания плотности упаковки волокон в поверхностном слое и объеме, и ее развитие зависит от структуры пучков, формируемой в процессе прокалывания, и определяется эффективностью формирования пучков и их структуры.