Актуальность темы
.
Уже более 25 лет в различных отраслях промышленности эксплуатируются термостойкие изделия, изготовленные из волокна и нити на основе поли-пара-фенилен-1,3,4-оксадиазолов. Волокно, нить, изделия на его основе имеют уникальные свойства.
Высокая термостойкость позволяет эксплуатировать изделия при температуре 250 °C сроком до 3 лет, кратковременно изделия выдерживают температуру до 400 °C, при этом практически не усаживаются и не плавятся. Нить и штапельное волокно хорошо перерабатывается в различные изделия, в том числе ткани и нетканые материалы. Высокая гигроскопичность, подобная шерсти, способность окрашиваться, пониженная горючесть, сохранение эластических свойств при низких температурах позволяют использовать пряжу, ткани и нетканые материалы для изготовления специальной одежды и средств индивидуальной защиты (костюмов, перчаток, рукавиц). Это обеспечивает выполнение требований техники безопасности работающих в особых условиях, в том числе в горячих цехах металлургических предприятий, в газовой и нефтяной промышленности, в условиях Крайнего Севера, а также для решения задач Минобороны и МЧС. Это волокно с уникальными свойствами и доступной сырьевой базой выпускается под товарным знаком «Арселон» [1].
Цель исследования. Разработать структуру и оптимальную технологию получения швейных ниток из арселоновой пряжи для пошива изделий специального назначения.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи.
— проведен анализ целесообразности использования арселоновой пряжи в текстильной и легкой промышленности для производства изделий технического назначения;
— проведено исследование физико-механических свойств арселоновой пряжи;
— для изготовления швейных ниток для пошива арселоновых тканей и изделий специального назначения выбрана арселоновая пряжа;
— разработана рациональная структура арселоновых швейных ниток различных линейных плотностей;
— проведен дисперсионный анализ влияния значений круток исходной пряжи и крутки при кручении на показатели абсолютной разрывной нагрузки швейной ниткипроведена интерпретация результатов двухфакторного дисперсионного анализа;
— произведена оценка многофакторного влияния на свойства крученых ниток с помощью множественной регрессии;
— исследована корреляция между показателями свойств образцов однокруточных ниток;
— выбраны условия термической стабилизации нитей с целью снижения их неравновесности;
— произведена оптимизация процесса изготовления арселоновых швейных ниток по методу подобия.
Методика исследований.
Поставленные задачи решались теоретическими и экспериментальными методами. Экспериментальные исследования по наработке швейных ниток проводились в учебно-технологической лаборатории кафедры переработки химических волокон МГТУ имени А. Н. Косыгина. В работе широко использовались методы математического планирования эксперимента. При исследовании свойств арселоновой пряжи использовались методы, предусмотренные Государственными Стандартами. Результаты экспериментальных и теоретических исследований обработаны методами математической статистики с использованием персонального компьютера и пакета программ Microsoft Office Excel.
Научная новизна.
Разработана структура и технология выработки швейных ниток из арселоновой пряжи. Для основного регламентируемого показателя качества швейных ниток — абсолютной разрывной нагрузки получена адекватная математическая модель, выражающая зависимость Рр от исследованных параметров. Изучено влияние высоких температур на разрывные характеристики и неравновесность швейных ниток из арселона и т.о. доказана целесообразность термической фиксации для снижения показателя неравновесности. Также была разработана методика проектирования оптимальной структуры швейных ниток из арселоновой пряжи методом применения теории подобия и размерности без наработки опытных партий, основываясь лишь на экспериментальных физико-механических данных по сырью.
Практическая ценность.
Теоретические и экспериментальные исследования, положенные в основу этой работы дают возможность выбрать оптимальные структуры арселоновых швейных ниток и их линейные плотности в зависимости от вида вырабатываемых изделий технического назначения без наработки опытных партий.
Реализация результатов работы.
Разработанные структуры арселоновой швейной нитки из пряжи можно использовать для пошива термостойких тканей технического назначения, специальной защитной одежды, фильтровальных рукавов или для введения в состав различных композитных материалов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на:
— Всероссийской н/с конференции «Актуальные проблемы развития текстильной промышленности», МГТУ им. А. Н. Косыгина, Москва, 2002;
Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль —.
2003), МГТУ им. А. Н. Косыгина, Москва, 2003;
Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль.
2004), МГТУ им. А. Н. Косыгина, Москва, 2004;
Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль.
2005), МГТУ им. А. Н. Косыгина, Москва, 2005;
Шестой Всероссийской научно-технической выставке творчества молодежи, ВВЦ, Москва, 2006;
— Межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности», РЗИТиЛП, Москва, 2006;
Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2007), МГТУ им. А. Н. Косыгина, Москва, 2007.
Публикации.
Тезисы докладов:
1. Мазурик Д. В., Середин О. В., Ушакова К. Н. «Подбор оптимальных параметров выработки швейных ниток из комплексных арселоновых и полиэфирных нитей», Тезисы докладов: Всероссийская н/с конференция «Актуальные проблемы развития текстильной промышленности», МГТУ им. А. Н. Косыгина, Москва 2002, стр. 1011;
2. Мазурик Д. В., Ушакова К. Н. «Разработка метода теоретического проектирования структуры крученой полиэфирно-арселоновой нити», Тезисы докладов: Межвузовская н/т конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности», Поиск — 2002, ИГТА, Иваново 2002, стр. 30−31;
3. Мазурик Д. В., Родионов В. А. «Разработка технологии получения арселоновых швейных ниток», Тезисы докладов: Всероссийская н/т конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности», Текстиль — 2003, МГТУ им. А. Н. Косыгина, Москва 2003, стр. 16−17;
4. Мазурик Д. В. «Разработка оптимальной технологии выработки швейных ниток линейной плотностью 29 текс х4 из арселоновой пряжи», Тезисы докладов: Всероссийская н/т конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности», Текстиль — 2004, Москва 2004, МГТУ им. А. Н. Косыгина, стр. 41;
5. Мазурик Д. В. «Исследование влияния величины крутки на свойства арселоновой пряжи», Тезисы докладов: Межвузовская н/т конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности», Поиск — 2004, ИГТА, Иваново 2004, стр. 4041;
6. Мазурик Д. В., Родионов В. А. «Разработка структуры и технологии получения швейных ниток из арселоновой пряжи», Тезисы докладов: Всероссийская н/т конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности», Текстиль — 2005, Москва 2005, МГТУ им. А. Н. Косыгина, стр. 27−28;
7. Мазурик Д. В. «Влияние температуры на неравновесность арселоновых швейных ниток», Тезисы докладов: Межвузовская н/т конференция аспирантов и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности», Поиск — 2005, ИГТА, Иваново 2005, стр. 4445;
8. Мазурик Д. В., Родионов В. А. «Разработка формулы для расчета разрывной нагрузки арселоновой пряжи», Тезисы докладов: Межвузовская н/т конференция «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности», РЗИТиЛП, Москва 2006, стр. 30.
9. Мазурик Д. В. «Проектирование абсолютной разрывной нагрузки арселоновых швейных ниток с использованием теории подобия», Тезисы докладов: Международная н/т конференция «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», ИГТА, Иваново, 2007.
10. Мазурик Д. В. «Проектирование разрывной нагрузки арселоновой швейной нитки на основе теории подобия и размерностей», Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2007). — М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2008. — 327 с. С. 37.
Статьи:
1. Мазурик Д. В. Влияние величины крутки на свойства арселоновой пряжи 29 текс х2. / Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 8. — М.: МГТУ имени А. Н. Косыгина, 2004. — 128 с. Стр. 44−47;
2. Мазурик Д. В., Родионов В. А. Оптимизация процесса выработки крученой арселоновой пряжи. / Химические волокна, 2004, № 2, стр. 1820;
3. Мазурик Д. В., Родионов В. А. Разработка рациональной технологии получения арселоновых швейных ниток. / Химические волокна, 2005, № 2, стр. 30−31.
4. Мазурик Д. В. Родионов В. А. Проектирование разрывной нагрузки арселоновых швейных ниток. / Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 2008, № 5(311), стр. 22−24.
Выводы по главе 5.
1. Рассмотрены общие положения теории подобия и проведено обоснование использования теории подобия и равных размерностей применительно к случаю выработки швейных ниток из арселоновой пряжи путём расчета математических комплексов и их решения.
2. Выведены критерии подобия для прогнозирования абсолютной разрывной нагрузки швейных ниток из арселоновой пряжи.
3. Рассчитан усредненный показатель разрывной нагрузки по числу сложений.
4. С помощью усредненного показателя разрывной нагрузки произведен расчет прогнозируемой абсолютной разрывной нагрузки в зависимости от числа сложений пряжи и величины второй крутки.
5. Выведены уравнения для расчета прогнозируемой абсолютной разрывной нагрузки для каждого числа сложения в диапазоне от 2 до 5.
6. Разработаны структуры швейных ниток из арселоновой пряжи тр&-< различных линейных плотностей: 90 текс, 120 текс и 150 тек: оподобраны примерные технологии выработки, которые включают & себя:
— трощение и кручение на тростильно-крутильной машине ТКМ-12;
— фиксация крутки в термостабилизационной печи ТУВХ 3/250-С ^ среде сухого горячего воздуха.
Сокращенный процесс выработки состоит только из перехода трощения и кручения на машине ТКМ-12 и последующей перемотки на товарную паковку на машине БП-260-В.
7. Были наработаны три опытные партии различной линейной плотности. Исходным сырьем для наработки опытных образцов являлась арселоновая пряжа линейной плотности 29,4 текс. Полученные швейные нитки отвечают всем требованиям стандартов и могут использоваться для пошива изделий технического назначения.
8. Пошив изделий технического назначения наработанными швейными нитками трёх выбранных линейных плотностей из арселоновой пряжи был проведен в швейном цеху ООО «НПФ «Термостойкие изделия» в г. Мытищи Московской области. Для пошива использовались швейные машины фирмы «Brother» различных модификаций, причем швейные нитки 90 текс из арселоновой пряжи были использованы для пошива элементов защитной одежды, 120 текс и 150 текс — для сшивания фильтровальных рукавов для фильтрации горячих газов. По результатам переработок было установлено:
— перерабатывающая способность швейных ниток из арселоновой пряжи всех трёх линейных плотностей хорошая;
— переналаживания швейного оборудования при шитье нитками из арселоновой пряжи (т.е. изменения скорости пошива, размера стежка, предварительного натяжения) не требуется;
— заправка нитки в ушко с помощью автоматического нитевдевателя проходит без осложнений;
— швейная переработка проводилась с использованием цепного стежка, при этом обрывов нитки не было;
— случаев не связывания или самопроизвольного распускания ниточного переплетения, что характерно для ниток с высоким коэффициентом жесткости, не отмечено;
— швейная нитка, выработанная из пряжи, очень мягкая, и т.о. снижается воздействие нитки на рабочую гарнитуру швейной машины, что уменьшает возможность поломки узлов и увеличивает срок службы оборудования;
— на гарнитуре и механизмах швейной машины (направляющих глазках, петлителе, питающем столике, прижимной лапке и других узлах) наблюдалось оседание пыли и коротких волокон. Данный недостаток не отражался на работе швейной машины;
— швейные нитки из пряжи лучше заполняют проколы в материале, оставленные иглой, что является ценным качеством при сшивании фильтровальных рукавов для фильтрации горячих газов;
— ниточные швы, выполненные с использованием новых швейных ниток из арселоновой пряжи, способны обеспечить условия равной прочности с арселоновыми тканями технического назначения, как в начальных (исходных) условиях, так и в момент действия высоких температур;
— пряжеподобная структура арселоновых швейных ниток обеспечивает эластичность шва, более мягкое стежкообразование, повышенную нераспускаемость, стойкость к истиранию;
— проведенная переработка опытной партии подтвердила, что швейные нитки из арселоновой пряжи выбранных структур ведут себя при сшивании и в самом шве аналогично другим швейным ниткам технического назначения, не ухудшая технологический процесс пошива и улучшая качество соединения в технических изделиях [45].
Заключение
.
1. В настоящее время развитие производства химических волокон и нитей во всем мире является главным направлением в развитии производства текстильного сырья в текстильной промышленности и занимает первое место в мировом производстве текстильного сырья и составляет более 60% от его объемов.
2. В настоящее время термостойкие волокна и нити производятся в основном при участии американского, японского, европейского и российского капитала и имеют ряд собственных зарегистрированных торговых марок, свойства и стоимость которых находятся примерно в одном диапазоне. Доля термостойких волокон и нитей невелика по сравнению с общим объёмом выпуска всех видов химических волокон и нитей и составляет чуть более 0,1%, однако их востребованность и широкий спектр областей применения позволяют считать в долгосрочном прогнозе о несомненном наращивании мощностей по их производству и совершенствовании их свойств.
3. «Арселон» — российско-белорусский товарный знак полиоксадиазольного термостойкого волокна, имеющего рабочую температуру 250 °C сроком с гарантией качества до 3 лет, при этом имеющий гигиенические свойства подобные хлопку. В силу ряда производственных преимуществ арселон дешевле зарубежных аналогов, а по свойствам — не уступает им.
4. В качестве образцов для проведения исследований использована пряжа из волокна арселон, перерабатываемое на прядильно-ткацкой фабрике «Ручайка» в г. Кобрин, Республика Беларусь. Волокно с линейной плотностью 0,17 текс, длиной 0,036 м и прочностью 4,76 сН. Данное волокно обладает высоким равновесным влагосодержанием, которое составляет 12% при 65% относительной влажности воздуха и температуре 22−24°С. Арселон обладает хорошими показателями физико-механических свойств, обладает достаточной термостойкостью — кислородный индекс 26−27%.
Использование для производства швейных ниток из арселона может представлять интерес в силу его термостойкости, а также в связи с тем, что волокно не плавится при высоких температурах, что важно с точки зрения эксплуатации технических изделий и с точки зрения поведения швейных ниток в швейном процессе.
5. Исследования проведены по следующим направлениям: выбор исходной арселоновой пряжи (параметров ее структуры и свойств), выбор параметров технологического процесса трощения и скручивания пряжи и необходимых процессов отделки.
6. Для обработки и анализа результатов исследований использован табличный процессор Microsoft Office Excel, который включает встроенный дополнительный модуль Analysis ToolPak, а также дополнительно подключаемый модуль StatPlus. Названные дополнительные модули программы существенно расширяют возможности статистического анализа данных с Excel. Статистическая обработка результатов первичных испытаний (расчет характеристик итоговой статистики) пряжи и крученых нитей.
7. Предварительные исследования выполнены на однониточной арселоновой пряже линейной плотности 29,4 текс, отличающейся величиной крутки: 395, 500, 600, 700 и 805 кр/м. Установлено, что величина крутки существенно влияет па показатель абсолютной разрывной нагрузки. Максимальные значения ее находятся в интервале 500−700 кр/м (критическое значение К=600 кр/м). Удлинение при разрыве изменяется не существенно, максимальное значение при критической крутке равняется 17%, что вполне укладывается в нормы для швейных ниток.
8. Для оценки степени влияния Ki и К2 на показатель Рр произведен двухфакторный дисперсионный анализ. Дисперсия S2 = (X — X ср) / (п — 1) является мерой изменчивости. Трощение и скручивание одиночной пряжи производилось на отечественной тростильно-крутильной машине ТКМ-12 при различных значениях первой крутки (крутка исходной одиночной: нити), второй крутки и числе сложений одиночной нити 3, 4 и 5. При сложении в 3 и 4 нити влияние второй крутки на разрывную нагрузку меньше, чем при 5-ти сложениях. Это подтверждено результатами дисперсионного анализа, согласно которому степень влияния на показатель разрывной нагрузки крученой нити при сложении 3-х и 4-х одиночных нитей примерно одинакова: сумма квадратов отклонений разрывной нагрузки пряжи от среднего под влиянием Ki соответственно составляет 28,7 и 33,1% от «итога». При 5-ти кратном сложении нитей влияние Ki оценивается лишь 4,33%. В то же время влияние К2 возрастает до 83% от итога. Для 3-х и 4-х кратного сложения влияние К2 примерно одинаково (38%). Зависимость от случайной ошибки составляет при 3-х кратном сложении 14,5%, при 4-х кратном 15,2%, а при 5-кратном 7%.
9. С целью изучения совместного влияния на свойства крученых нитей трех основных параметров процесса трощения-скручивания (Ki, К2 и Т) произведен анализ множественной регрессии. С учетом результатов планирования эксперимента произведена оценка важнейших показателей свойств 14 вариантов крученых нитей. Учитывая, что главной задачей являлось исследовать влияние независимых параметров технологического процесса (К^ К2 и Т) на основной регламентируемый показатель Рр, входными параметрами являлись К^ К2 и Т., выходной (зависимый) — разрывная нагрузка, Обозначаем: К], = Xi, К2 = Х2 и Т = X з. Общий вид математической модели:
Yr = b0 + biXi+ b2x2+ b3x3+ bi2XjX2 + bi3xix3 + b23x2x3 + Ьц x + b22×22 + b33×32.
Поскольку степень адекватного полинома заранее неизвестна, используют прием шагового поиска, т. е. сначала выбирают самую простую — линейную модель. Если такая модель оказывается неадекватной, то увеличивают число членов полинома, т. е. повышают его порядок. Так продолжают до тех пор, пока не будет получена адекватная модель исследуемого объекта.
Пошаговый метод подбора членов модели использован в работе. Проверка адекватности выбранной модели производится графическим способом.
Для этого строят зависимость между рядом исходных данных и рядом предсказуемых показателей. Если сравниваемые точки хорошо укладываются на прямой линии, то это значит, чтосуществует линейная модель зависимости. Далее строят прямую линию тренда и оценивают достоверность аппроксимации. В результате исследований установлено, что адекватной математической моделью для разрывной нагрузки арселоновой пряжи является:
Yr = b0 + b]Xj+ Ь2Х2+ Ь3Х3+ b12X! X2 + bi3X! X3 + b23x2x3 Полученное уравнение позволяет рассчитывать значение абсолютной разрывной нагрузки показателям Ki, К2 и Т. для упрощения расчетов в Excel, создан специальный шаблон.
При анализе регрессии результаты обработки данных выдаются на ПК в виде таблицы, содержащей следующие параметры с характеристиками регрессии: значение степеней свободы регрессии, отклонений и суммы квадратов отклонений по этим показателям, значения критерия Фишера и его критического значения. Если значение критерия Фишера велико, а ФкрИтич-мало — это означает статистическую значимость модели. Кроме того, результаты расчета регрессии содержат таблицу предсказываемых значений.
Рр
Для основного регламентируемого показателя качества швейных ниток — абсолютной разрывной нагрузки получена адекватная математическая модель, выражающая зависимость Рр от исследованных параметров. Удлинение при разрыве зависит от входных параметров, но находится в пределах допустимых для швейных ниток значений.
10. По остальным показателям произведена корреляционная оценка. Выявлена высокая корреляция между абсолютной разрывной нагрузкой и жесткостью при кручении, разрывной нагрузкой и износом от истирания, жесткостью при кручении и износом. Это свидетельствует о том, что в случае изучаемого материала (арселоновых швейных ниток) вполне оправдан регламентируемый стандартом перечень показателей качества, среди которых определяющим показателем является Рр.
11. При сложении в 2 нити крученая нитка получилась достаточно «рыхлая», поэтому в дальнейших экспериментах она не использовалась.
12. Из всех проверенных для крученых ниток свойств неудовлетворительным является показатель неравновесности. Для снижения неравновесности изучено влияние высоких температур на разрывные характеристики и неравновесность. При повышении температурного воздействия до 250 градусов показатели разрывных характеристик существенно не изменяются, а неравновесность снижается до допустимых значений.
13. С помощью метода подобия и равных размерностей получено уравнение зависимости прочности крученых ниток от параметров технологического процесса: прочности исходной пряжи, толщины исходной и крученой нити, Ki и К2. Выведены формулы для расчета прогнозируемой разрывной нагрузки, которое имеет вид:
14. Таким образом, в работе разработаны структуры швейных ниток из арселоновой пряжи трёх различных линейных плотностей: 90 текс, 120 текс и 150 тексподобраны оптимальные технологии выработки, которые включают в себя:
— трощение и кручение на тростильно-крутильной машине ТКМ-12;
— фиксация крутки в термостабилизационной печи ТУВХ 3/250-С в среде сухого горячего воздуха.
Сокращенный процесс выработки состоит только из перехода трощения и кручения на машине ТКМ-12 и последующей перемотки на товарную паковку на машине БП-260-В.
0,5502-Kj2 + 0,9417-^ -К2 -0,5195-К2).
2 2.
15. В соответствии с планом проведения научно-исследовательской работы кафедрой переработки химических волокон по разработке структуры и технологии выработки швейных ниток из арселоновой пряжи на тростильно-крутильной машине ТКМ-12 в производственной лаборатории кафедры ПХВ в апреле 2009 года были наработаны три опытные партии различной линейной плотности. Исходным сырьем для наработки опытных образцов являлась арселоновая пряжа линейной плотности 29,4 текс. Полученные швейные нитки отвечают всем требованиям стандартов и могут использоваться для пошива изделий технического назначения. Физико-механические свойства полученных швейных ниток приведены в табл. 36.
