Новые виды материалов и их эксплуатационная надежность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По предмету «Новые виды материалов и их эксплуатационная надежность»

Выполнил(а)

Минина А.С.

Проверил:

Дресвянина Е.Н.

Санкт-Петербург 2015

Содержание

1. Волокна, дружественные человеку. Направление «shin-gosen» в получении волокон, дружественных человеку

2. 4-х уровневая структура текстильных материалов. Показатели структуры на каждом уровне

3. Многоцикловые характеристики текстильных материалов. Показатели многоцикловых свойств текстильных материалов

4. Действие активных сред. Смачивание, сорбция паров, набухание. Изменение свойств под действием активных сред

Список использованной литературы

1. Волокна, дружественные человеку. Направление «shin-gosen» в получении волокон, дружественных человеку

Сегодня целенаправленно развиваются традиционные виды волокон, модифицируются их свойства, появились принципиально новые виды химических волокон и волокнистых материалов: «дружественные человеку» (shin-gosen), «умный текстиль», волокна и текстиль со специфическими функциональными свойствами.

Направление «shin-gosen» или волокна, «дружественные человеку» Направлению «shin-gosen» -- созданию высокотехнологичных волокон и волокнистых материалов на их основе, «дружественных» человеку (тканых, трикотажных, «под кожу», комбинированных и других) -- уделяется все большее внимание. В связи с этим происходят большие изменения как в свойствах и выпуске традиционных видов химических волокон путем их модификации, так и в появлении принципиально новых видов волокон. Это связано с ростом потребностей людей в обеспечении высококачественной одеждой, изделиями интерьера, материалами и изделиями гигиенического назначения. Обычно дружественными человеку считаются натуральные волокна, особенно лен и текстиль на его основе, обладающие прекрасными потребительскими и бактерицидными свойствами. Прекрасными качествами обладают также нити натурального шелка и ткани на его основе. Поэтому производство натурального шелка продолжается, несмотря на значительную дороговизну и его «несовременность» -- применение ручного труда.

Принято считать, что химические волокна не относятся к этой категории. Однако в последние десятилетия создано много видов химических волокон и нитей, а также волокнистых материалов из них, не просто комфортных, но именно действительно «дружественных человеку». Таковыми являются, например, бактерицидные вискозные волокна, производимые рядом фирм. Создан ряд видов модифицированных полиэфирных волокон, в частности -- микроволокна и нити с высокой поверхностной гидрофильностью. Как уже указывалось, полиэфирные волокна широко применяются в смесях с хлопком, повышая потребительские свойства тканей для белья и легкой одежды. Полипропиленовые текстильные нити и волокна для бельевого и спортивного трикотажа позволяют получать прекрасные гигиеничные материалы в комбинациях с гидрофильными целлюлозными волокнами и нитями. Поливинилспиртовые волокна позволяют получать прекрасные комфортные изделия. Химические полипептидные волокна и нити, разработка которых начинается и которым принадлежит большое будущее, безусловно, будут относиться, как и натуральный шелк, к дружественным человеку.

Новые перспективные источники сырья для химических волокон В связи с постоянным повышением объемов выпуска химических волокон, а в перспективе -- многократным его увеличением, немаловажное значение приобретает проблема развития сырьевых ресурсов для производства химических волокон, поскольку наблюдается тенденция постепенного повышения цен, а в перспективе появление дефицита традиционных видов сырья -- нефти, каменного угля и газа.

К середине ХХІ века эти виды сырьевых материалов близки к полному истощению. В то же время идет постепенное возрастание народонаселения и рост потребности в химических волокнах, отмеченный выше. Поэтому на смену или в дополнение к ним должны прийти новые сырьевые ресурсы для получения мономеров и/или волокнообразующих полимеров на их основе, получение которых будет основано на воспроизводимых растительных ресурсах, продуктах биотехнологии и связывании углекислого газа и азота из атмосферы.

Вследствие этого уже сегодня начинают развиваться исследования по новым сырьевым источникам для получения волокон и волокнистых материалов на их основе. Поскольку проблема исходных мономеров и волокнообразующих полимеров, очевидно, станет острой уже в первой половине ХХІ века, предложений по новым источникам сырья немало. Среди них следует упомянуть нижеследующие.

Важнейшим возобновляемым видом исходного для волокон является целлюлоза. Возможности ее получения из древесины еще далеко не исчерпаны. Однако в перспективе из-за сокращения площадей лесных массивов производство древесной целлюлозы (используемой для получения гидратцеллюлозных волокон) будет постепенно ограничиваться. Разрабатываются новые источники для замены древесной целлюлозы альтернативными ее видами, в частности -- высокопродуктивными по количеству целлюлозы на единицу площади в год однолетними растениями, которые могут произрастать в широком диапазоне климатических условий. Некоторые виды растений могут давать с единицы площади количество целлюлозы, превышающее сегодня используемые древесные породы (ель, бук, эвкалипт) в 3--4 раза (в пересчете на год).

Проблема целлюлозы как возобновляемого полимера взаимосвязана с получением высококачественных гидратцеллюлозных волокон. В этом отношении следует ожидать как сохранения вискозного процесса, так и широкого развития процессов прямого растворения целлюлозы с последующим формованием волокон, в частности волокон лайоцелл. В перспективе возможно использование целлюлозы, выделяемой из растений, как источника органического вещества для получения мономеров, и из них волокнообразующих полимеров. Как пример, разработаны методы синтеза мономеров для алифатических полиэфиров и полиамидов. В качестве источника материала для последующего органического синтеза мономеров могут использоваться различные растительные материалы, точнее, содержащиеся в них лигнин, пентозаны и другие вещества.

Имеются предложения по синтезу различных полисахаридов микробиологическими методами, которые также могут быть использованы для получения волокнообразующих мономеров и полимеров. Некоторое значение может иметь биосинтез мономеров. Так, уже показаны возможности микробиологического синтеза некоторых мономеров для получения волокнообразующих полимеров -- дикарбоновых кислот (в том числе адипиновой и себациновой), капролактама и других.

Некоторые виды волокнообразующих полимеров, в частности полиэфиры, могут быть прямо получены путем микробиологического синтеза. Один из перспективных путей-- это синтез фиброиноподобных полипептидов с получением на их основе волокон типа натурального шелка и паутины. На основе микробиологического синтеза уже получены некоторые виды волокнообразующих полипептидов. В некоторых случаях содержание этих продуктов может достигать до 40% от веса биомассы и они могут быть использованы как перспективное сырье для получения химических волокон. Исследования в этом направлении широко ведутся во многих странах мира.

Возможно производить синтез волокнообразующих мономеров на основе атмосферных газов -- углекислого газа, азота и воды) с последующим получением волокнообразующих полимеров. Такой путь технически возможен, но для его осуществления пока требуются большие затраты энергии -- а отсюда нужны ее новые источники. Однако именно такой путь использует природа при синтезе целлюлозы. Следует упомянуть также все возрастающее значение рециклинга и повторного использования отработанных полимерных материалов и изделий как сырья для химических волокон. Так, уже в настоящее время широко используется для получения полиэфирных волокон отработанная пищевая тара после ее расплавления и снижения молекулярной массы. Перечисленные новые виды сырьевых ресурсов и возможные методы получения из них химических волокон представлены в табл. В статье были перечислены только отдельные возможности получения исходных волокнообразующих материалов.

Дальнейшее развитие исследований в этом направлении откроет еще немало других возможностей. Следует ожидать развития альтернативных принципов формования химических волокон принципиально новых технологий и видов волокон: - развитие волокон типа лайоцелл на основе процессов прямого растворения целлюлозы в органических растворителях, что решает проблему развития гидратцеллюлозных волокон, имеющих важное значение в связи с постепенным сокращением производства вискозных волокон. Однако производство вискозных волокон сохранится в течение еще длительного времени;

ь - создание волокон на основе синтетических полипептидов типа фиброина и получения химических волокон -- близких аналогов натурального шелка и паутины;

ь - использование принципов бионики, основанных на синтезе регулярных блок-сополимеров заданной структуры и позволяющих регулировать свойства волокон на базе принципов их самоорганизации;

ь - применение в качестве растворителя воды позволит создать «экологически чистые процессы» получения волокон. Развитие производства поливинилспиртовых волокон связано с созданием новых методов синтеза поливинилового спирта, а возможно и синтетических полипептидов;

ь - для обеспечения возрастающих объемов производства химических волокон важное значение приобретут новые альтернативные источники сырья, основанные на синтезах мономеров из компонентов атмосферы (углекислый газ, азот) и воды, биотехнологических процессах, выращивании высокопродуктивных целлюлозосодержащих культур и др.

2. 4-х уровневая структура текстильных материалов. Показатели структуры на каждом уровне

Текстильные волокна имеют сложное физическое строение. Можно выделить два структурных уровня волокна: молекулярный и надмолекулярный. Особенности молекулярной и надмолекулярной структур определяют основные свойства волокон. Как видно из классификации текстильных волокон, в основе большинства волокон (а именно всех, кроме минеральных) лежат высокомолекулярные соединения (ВМС). Макромолекулы ВМС состоят из многократно повторяющихся групп атомов, которые называют элементарными звеньями (-А-А-А-А-). Количество элементарных звеньев, составляющих макромолекулу, называют степенью полимеризации. Степень полимеризации для различных ВМС различна и колеблется от нескольких сот до нескольких десятков тысяч. ВМС, молекулы которых состоят из звеньев атомов одного вида, называют полимерами.

Данные особенности строения ВМС определяют их основные свойства: ввиду большой молекулярной массы невозможен переход ВМС в газообразное состояние; растворы ВМС имеют высокую степень вязкости, что позволяет формировать из них волокна и нити. Они труднорастворимы, причем в ограниченном числе растворителей (растворимость ВМС избирательна); ВМС не имеют четко выраженной температуры плавления, так как их макромолекулы состоят из разного числа элементарных звеньев, т.е. обладают полидисперсностью; при длительном нагревании ВМС постепенно размягчаются (термопластичные полимеры), а в отдельных случаях распадаются на мономеры еще до плавления (нетермопластичные полимеры).

Молекулярная структура волокна определяется строением самой макромолекулы волокнообразующего полимера. Структура макромолекулы может быть линейной, зигзагообразной, циклоцепной, разветвлен- ной, сетчатой и др. Макромолекулы большинства ВМС, образующих текстильные волокна, в основном имеют линейную структуру, а в шерсти - форму пространственной сетки.

Макромолекулы ВМС могут в различной степени быть ориентированы вдоль оси волокна. Чем выше их ориентация вдоль оси волокна, тем лучше его прочностные свойства. Наиболее прочными являются волокна с линейными макромолекулами, ориентированными вдоль оси волокна. Надмолекулярная структура волокна определяется взаимным рас- положением макромолекул и их комплексов. Для текстильных волокон типична фибриллярная структура, т.е. макромолекулы объединяются в комплексы - микрофибриллы, а микрофибриллы - в фибриллы. Микрофибриллы представляют собой ориентированные надмолекулярные образования - молекулярные комплексы с поперечным сечением менее 10 нм. Удерживаются микрофибриллы друг около друга за счет сил межмолекулярного взаимодействия и за счет перехода отдельных макромолекул из комплекса в комплекс. Длина микрофибрилл на порядок выше поперечника. Фибриллы - это объединения микрофибрилл - ориентированных надмолекулярных соединений. Связь между фибриллами осуществляется, в основном, силами межмолекулярного взаимодействия, которые значительно слабее микрофибриллярных. Между фибриллами имеется большое число продольных полостей, пор, микротрещин. Поэтому раз- рушение волокон в процессах их переработки, при механических и химических воздействиях, происходит по фибриллам. Фибриллы располагаются в волокнах вдоль оси волокна или под сравнительно небольшим углом. Лишь в некоторых волокнах расположение фибрилл имеет случайный, неправильный характер, однако и в этом случае их общая ориентация в направлении оси сохраняется.

Морфологическая структура, или микроструктура, текстильных волокон представляет собой более низкий структурный уровень и включает в себя внешнюю и внутреннюю структуры. К внешней структуре относится толщина, длина, форма поперечного сечения, извитость, характер поверхности; к внутренней структуры - слоистость, пористость, наличие каналов и сердцевины, сочетание различных полимеров. Молекулярная и надмолекулярная, а также морфологическая структура волокна определяет свойства волокон и нитей, их прочность, способность к поглощению паров, газов, жидкостей, окрашиванию, упругость, растяжимость и другие.

3. Многоцикловые характеристики текстильных материалов. Показатели многоцикловых свойств текстильных материалов

При изготовлении и особенно при носке одежды материал испытывает, как правило, небольшие по величине нагрузки, вызывающие деформацию растяжения. Многократно повторяющееся растяжение вызывает изменение структуры материала и приводит к ухудшению его свойств. В одежде этот процесс сопровождается изменением размеров и формы одежды, образованием на отдельных участках одежды вздутий (в области локтя, колена и др.). волокно текстильный материал смачивание

В связи с этим изучение поведения текстильных материалов при воздействии на него многоцикловых нагрузок, вызывающих растяжение, представляет большой интерес. Результаты этих исследований позволяют полнее оценивать эксплуатационные и технологические свойства материалов и точнее формулировать требования по разработке новых материалов. Многократное воздействие на материал, осуществляемое по циклу нагрузка--разгрузка и вызывающее растяжение материала, приводит к изменению его структуры и сопровождается изменением свойств материала.

Процесс постепенного изменения структуры и свойств материала вследствие его многократной деформации называется утомлением. В результате утомления материала появляется усталость --разрушение или ухудшение свойств материала, не сопровождающееся существенной потерей массы. В начальный период многократного воздействия по циклу нагрузка--разгрузка (порядка десятков и сотен циклов) материал деформируется, но структура его, как правило, уплотняется. При этом обычно незначительно увеличивается прочность материала. Для ткани этот факт объясняется тем, что в начальный период действия циклов, нагрузка--разгрузка более подвижные и слабые в основном внешние связи нарушаются, происходит перегруппировка элементов структуры материала, сопровождающаяся сближением соседних нитей и волокон; возникают новые связи, которые способствуют упрочнению материала. Одновременно происходит ориентация волокон относительно осей нитей и ориентация молекулярных цепей в волокнах.

В трикотаже в начальный период многократного действия циклов нагрузка--разгрузка происходит сближение нитей, образующих петли. Этот процесс также сопровождается некоторым удлинением трикотажа и увеличением прочности на разрыв. Последняя объясняется усилившимся взаимодействием соприкасающихся участков нитей и возникновением новых связей. Дальнейшее увеличение циклов нагрузка--разгрузка, не сопровождающееся ростом нагрузки (деформации) в каждом цикле, не вызывает заметного изменения структуры материала и его свойств. Дело в том, что материал, претерпев структурные изменения в первый период, при дальнейшем воздействии циклов приспосабливается к новым условиям. Внешние и внутренние связи, участвующие в сопротивлении действию нагрузки в каждом цикле, в условиях установившегося режима проявляются в виде упругой и эластической деформации с малым периодом релаксации.

В этих условиях материал в состоянии выдерживать многие десятки тысяч циклов нагрузка--разгрузка без резкого ухудшения свойств. Таким образом, этот период многоциклового воздействия сопровождается незначительным изменением структуры и свойств. В заключительной стадии многоциклового воздействия (сотен тысяч циклов) вследствие утомления материала наступает его усталость. Явление усталости наблюдается на отдельных наиболее слабых участках или в местах, имеющих какие-либо дефекты. В этот период происходит интенсивный рост пластической деформации материала. При многоцикловом растяжении материала получают характеристики: выносливость, долговечность, остаточная циклическая деформация.

Выносливость -- число циклов нагрузка--разгрузка, которые выдерживает материал до разрушения при заданной деформации (нагрузке) в каждом цикле. Долговечность -- время от начала многоциклового растяжения до момента разрушения при заданной деформации (нагрузке) в каждом цикле. Остаточная циклическая деформация -- деформация, накопившаяся за определенное заданное число циклов. Остаточная циклическая деформация состоит из пластической и эластической, период релаксации которой превышает время разгрузки и отдыха в каждом цикле.

Остаточная циклическая деформация ео.ц. - деформация, накопившаяся за определенное заданное число циклов. Остаточная циклическая деформация состоит из пластической и эластической, период релаксации которой превышает время разгрузки и отдыха в каждом цикле.

Определяют ео.ц. , %

ео.ц. = 100 ? lо.ц. / Lо = L1 - Lо

где lо - абсолютное удлинение образца материала после заданного числа циклов;

Lо - зажимная (рабочая) длина образца материала;

L1 - длина образца к моменту разгрузки.

Механизм остаточной циклической деформации, особенно в первой фазе, является эластическим.

Выделяют следующие компоненты остаточной циклической деформации по (Коблякову А.И.):

- быстрообратимая циклическая деформация ец1 - часть остаточной циклической деформации, исчезающая за малое время (до 5-10 с) после окончания многоциклового растяжения, %

е ц1 = 100 (L1 - L2) / Lо

- медленнообратимая циклическая диформация е ц2 - часть остаточной цикловой деформации, исчезающая за время отдыха (до 2 ч), за вычетом --быстрообратимой части остаточной циклическая деформации, %

е ц2 = 100 (L2 - L3) / Lо

- заторможенная циклическая деформация е ц3 - деформация, оставшаяся после длительного (от 2 ч и более) отдыха с момента окончания многоциклового растяжения, %

е ц3 = 100 ( L3 - L2) / Lо

L1 - длина образца к моменту разгрузки

L2 - длина образца после кратковременного отдыха (5-10 с)

L3 - длина образца после длительного отдыха (2 ч и более)

4. Действие активных сред. Смачивание, сорбция паров, набухание. Изменение свойств под действием активных сред

При поглощении влаги волокна набухают, что увеличивает объем волокна больше по поперечнику и меньше по длине. Это явление объясняется тем, что структурные элементы волокна -- макромолекулы, микрофибриллы, фибриллы расположены вдоль оси волокна или под небольшим углом к ней. Физико-химически связанная влага играет главную роль в процессах влажно-тепловой обработки тканей, так как она является пластификатором вещества волокон, ослабляет межмолекулярные связи и облегчает переход волокон в высокоэластическое состояние.

К физико-механическому способу связи материала с влагой относятся структурная связь (жидкость, захватываемая при образовании структуры коллоидного тела), капиллярная связь и связь в микрокапиллярах. Капиллярная жидкость делится на жидкость в макрокапиллярах (радиус капилляра r<10-5см) и жидкость в микрокапиллярах (r>-5см). Такое деление на макро- и микрокапилляры обусловлено явлением капиллярной конденсации пара в капиллярах. В сквозных капиллярах с радиусом r?10-5см может происходит капиллярная конденсация пара, т. е. эти капилляры могут заполняться влагой во влажном воздухе, не соприкасаясь с жидкостью. Если же радиус сквозного капилляра r? 10-5см, то капиллярной конденсации не происходит, а капилляр заполняется водой только при непосредственном соприкосновении с. жидкостью.

В несквозных (замкнутых) капиллярах независимо от величины радиуса происходит поглощение влаги из влажного воздуха. Связь смачивания обусловлена прилипанием воды при непосредственном соприкосновении ее с поверхностью тела. Влага такой связи удерживается непрочно и может быть удалена испарением. Влага физико-механической формы связи не является пластификатором волокна, но при выполнении процессов влажно-тепловой обработки изделий из текстильных материалов ускоряет нагревание волокон и создает благоприятные условия для равномерности прогрева всех участков материала.

Еще более разной оказывается скорость десорбции. Ткани и трикотаж, выработанные из синтетических волокон при помещении их в атмосферу с влажностью, равной 0%, быстро теряют влажность, а в тканях и трикотаже из хлопчатобумажной пряжи, из вискозных и шелковых нитей этот процесс протекает медленно. Считается, что более медленное протекание процессов сорбции и десорбции в гидрофильных волокнах и особенно в таких, как шерсть и вискоза, является следствием их высокого теплового эффекта смачивания. Показателем скорости влагопоглощения является капиллярность.

Капиллярность. Капиллярность материалов является характеристикой водопоглощающей способности продольных пор в материале. Подъем воды не может происходить по порам, находящимся на поверхности ткани, и по сквозным порам или просветам, образующимся в ткани из-за неплотного прилегания нитей друг к другу, ввиду их малой протяженности и большого диаметра.

Таким образом, впитывание и перемещение влаги в текстильных материалах происходит по продольным порам, имеющимся в нитях и пряже. Подъем воды между отдельными нитями не происходит, так как нити в силу переплетения не образуют между собой непрерывного капилляра. Этим, в частности, можно объяснить тот факт, что трикотажные полотна выработанные из такой же пряжи и нитей, как и ткани обладают по сравнению с тканями меньшей капиллярностью.

Для оценки гигиенических свойств тканей, трикотажа и нетканых материалов имеет значение не только начальная скорость водопоглощения, определяющая интенсивность смачивания, но и постоянная скорость перемещения воды по ним, а также скорость высыхания материалов. Процесс высыхания материалов сопровождается изменением температуры соприкасающейся с ним поверхности. Скорость высыхания тканей, трикотажа и нетканых материалов зависит от природы волокон, из которых эти материалы изготовлены, а также от структуры материала. Целесообразность носки льняных изделий в жаркое время года, так как они способствуют снижению температуры поверхности кожи и быстрому удалению потовыделений из пододежного пространства.

Список использованной литературы

1. Гаранина О.А., Бардаш Н.А., Романкевич О.В. Реакционная модификация волокнистых материалов Монография. -- Киев: КНУТД, 2013. -- 160 с.

Размещено на Allbest.ru