CC BY
26
Komarova Lyudmila Yurievna, candidate of technical sciences, docent, luknew @yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 539.52:624.131.541.3 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-4-31-38
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО СЖАТИЯ
Л.Н. Лисиенкова, Л.Ю. Комарова, Н.Е. Проскуряков
Разработаны метод и средства исследования деформации нетканых теплоизоляционных строительных материалов. Исследованы показатели деформации материалов в различных условиях циклического сжатия, установлены параметры и режимы испытаний. Показаны конструкция и принцип работы устройства для циклического сжатия. Представлен метод исследования деформации материалов при различных параметрах сжатия, приведены результаты экспериментальных испытаний образцов нетканых теплоизоляционных материалов. Отмечено, что метод циклического сжатия позволяет прогнозировать поведение нетканых теплоизоляционных материалов в процессах монтажа и эксплуатации изделий. Перспективное применение метода заключается в исследовании закономерностей изменения теплопроводности материалов в условиях циклического сжатия.
Ключевые слова: нетканые теплоизоляционные материалы, деформация, циклическое сжатие.
1. Обоснование показателей и методов оценки деформации материалов при сжатии. В настоящее время для определения свойств материалов при сжатии используют стандартные и оригинальные методики, приборы и установки.
К недостаткам известных методов и средств оценки деформации материалов при сжатии следует отнести: одноцикловое воздействие, условия испытаний не моделируют реальные; применимость методов и приборов для конкретного вида материалов; сложность и громоздкость конструкций испытательной аппаратуры; не универсальность (не могут моделировать условия производства и эксплуатации).
Полуцикловые характеристики свойств материалов при сжатии (предел прочности, деформация при разрушении, модуль упругости, жесткость при сжатии) определяют в основном при испытании проб на разрывных машинах, с разрушением образца [1]. Эти методы применимы для твердых, монолитных материалов, но они не могут адекватно оценить деформацию объемных нетканых материалов. Одноцикловые характеристики свойств материалов позволяют оценить упругость материалов при сжатии. Для проведения полуцикловых и одноцикловых испытаний на сжатие применяют различные траверсы, устанавливаемые на верхнем и нижнем штоках разрывной машины, или другие механизмы, снабженные измерительными устройствами [2].
Толщину волокнистых материалов обычно измеряют на толщиномере при величине сжимающего усилия F = 0,2...100 сН. Поэтому экспериментально определенная толщина h, мм материала будет отличаться от фактической толщины в исходном несжатом состоянии на некоторую величину Д^ Величина Дh зависит от свойств материала и сжимающего усилия [3].
Одной из характеристик свойств материалов при сжатии является твердость. Твердость Н, Па, - характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность, определяемая относительными и абсолютными методами в соответствии с ГОСТ 263 и ГОСТ 20403. Методы определения твердости пригодны для твердых материалов с монолитной структурой толщиной более 6 мм.
В работе [4] представлен метод испытания, недостаток которого - реализация только одноциклового стесненного сжатия. Прибор ПРС-1 для оценки деформации волокон имеет сложную конструкцию и может применяться только для испытания конкретных видов нетканых материалов.
Основным недостатком применяемых методов является то, что они не учитывают влияние внешних факторов производства и эксплуатации на свойства материалов. Методы и средства пригодны для твердых материалов с монолитной структурой, и не могут объективно оценить деформацию нетканых теплоизоляционных материалов.
Показатели - упругая и остаточная части полной деформации - позволяют объективно оценивать влияние деформации сжатия на свойства материалов. Поэтому, перспективны методы и средства исследования деформации материалов для одежды в условиях циклического сжатия, позволяющие изучить динамику изменения составных частей деформации, моделирующие воздействие внешних факторов.
2. Характеристика объектов и метода исследования деформации материалов при сжатии. В качестве объектов исследовались нетканые теплоизоляционные и утепляющие материалы. Они различались по составу, способу производства и назначению, изготовленные в соответствии с ГОСТ 19008, ГОСТ 14253, ГОСТ 6418. Характеристика объектов исследования представлена в табл. 1.
Отбор и подготовку образцов материалов для испытаний проводили в соответствии с ГОСТ 13587 «Полотна нетканые и изделия штучные нетканые правила приемки и метод отбора проб», ГОСТ Р ИСО 15902.2 «Полотна нетканые. Методы определения структурных характеристик», ГОСТ Р ИСО 12023 «Материалы текстильные. Полотна. Метод определения толщины». Перед проведением испытаний пробы выдерживали 12 часов в нормальных атмосферных условиях (температура 20 ± 3 оС и относительная влажность 65 ± 5 % по психрометру) в соответствии с ГОСТ 10681 «Материалы текстильные. Климатические условия для кондиционирования проб и методы их определения».
Испытания объектов проводили в условиях циклического сжатия. Для имитации факторов производства и эксплуатации определяли деформацию сжатия материалов в кондиционном состоянии, после увлажнения (Жф= 40 %), после влажно-тепловых обработок.
Таблица 1
Характеристика объектов исследования__
№ Материал, артикул ГОСТ, ТУ Способ получения Толщина, мм Волокнистый состав, % Поверхностная плотность П8, г/м2
Полотно нетканое хол- стопрошивное арт. 927622 ГОСТ 19008 Холстопрошивное 4,8 ВШрс-85, ВПэф-15 215
Полотно нетканое хол- стопрошивное арт. 917618 ГОСТ 14253 Холстопрошивное 2,8 ВХл - 100 190
Войлок ГОСТ 6418 Валяльный 6,8 ВШрс - 100 200
Шерстипон - Термоскрепленный 24,4 ВПэф - 40 ВШрс - 60 300
Шерстипон - Термоскрепленный 14,9 ВПэф - 40 ВШрс - 60 300
Тинсулейт Модификация Р 150 Термоскрепленный 15,8 ВПэф - 100 100
Синтепон СК150/300 Термоскрепленный 7,8 ВПэф - 100 140
Холлофайбер (ООО «Тер-мопол» Термоскрепленный 12,0 ВПэф - 100 130
По измерениям результатов испытаний материалов определяли деформацию
сжатия.
Общая деформация сжатия:
Ьобщ = кож = Ио - АИ, (1)
где Исж - величина максимального продавливания пробы, мм; Ио - значение максимального продавливания на шкале, мм; АИ - нулевой уровень поверхности пробы, мм.
Обратимая деформация:
Аеобр = (Исж - Ы) / Исж , (2)
где И - последнее значение измерения считывающего устройства, мм.
Необратимая (остаточная) деформация:
Аеост = И / Ис. (3)
При создании установки основной задачей являлось разработка устройства, позволяющего реализовывать различные условия сжатия (стесненное, свободное) при высокой достоверности измерения деформации. Применение дифференциальных фотодатчиков и отсутствие давления со стороны измерителя обеспечивает объективность результатов испытаний. Использование фотодатчиков обеспечивает постоянную абсолютную приборную погрешность измерительного устройства 10-6 м.
В устройстве совмещены зоны испытания пробы и ее измерения, что дает возможность измерения деформации в период нагрузки и отдыха.
Устройство позволяет изучать как технологические свойства материалов (способность к деформации), так и важнейшие эксплуатационные характеристики (упругость). При этом могут создаваться различные климатические условия при испытании, в том числе влажная (или иная) среда.
Приспособление для сжатия - стальной цилиндр диаметром Оц, = 35 мм и высотой Н = 20 мм; стальной, съемный индентор диаметром О =30 мм и толщиной 10 мм (рис. 1). Индентор за счет конструктивной особенности обеспечивает равномерное силовое давление на материал с различным рельефом и неравномерностью по толщине. В работах [5, 6] представлены описание и принцип работы устройства.
а б
Рис. 1. Схема сжатия материалов: а — свободное сжатие; б — стесненное сжатие: 1 — проба до нагрузки; 2 — проба под нагрузкой; 3 — цилиндр;
4 — индентор
3. Экспериментальные исследования деформации нетканых материалов в условиях циклического сжатия. Для выбора оптимальных параметров испытания были проведены предварительные эксперименты. Параметры сжатия материалов представлены в табл. 2. Относительная погрешность результатов измерений деформации материалов толщиной 0,1-30 мм методом циклического сжатия составила 3,1... 12,3 %, что свидетельствует о достоверности опытных данных. Величина относительной сред-неквадратической ошибки не превышает 5 % при достоверности 0,95, а коэффициент вариации - 10 %.
Таблица 2
Параметры сжатия нетканых материалов_
Давление, кПа Условия сжатия Диаметр пробы, мм Нагрузка при сжатии Рц, даН
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Стесненное 30,0 0,07 0,14 0,21 0,28 0,35 0,43 0,50 0,57
Свободное 20,0 0,16 0,32 0,48 0,64 0,80 0,96 1,12 1,27
15,0 0,28 0,56 0,85 1,13 1,41 1,69 1,98 2,26
Параметры испытания: диаметры индентора О = 30 мм, пробы материалов й\ = 10...25 мм, ё2 = 27...30 мм; величина нагрузки в цикле Рц = 1,5 даН, время сжатия tн= 5 с и отдыха и= 5 с; период испытаний п = 100 циклов. При заданных параметрах давление на пробу при свободном сжатии - 0,5 кПа, при стесненном сжатии - 0,2 кПа.
Таблица 3
Экспериментальные измерения толщины и деформации материалов _после 100 циклов сжатия_
Образец материала Сжатие Предварит. обработка Толщина проб, мм Деформация после сжатия
до сжатия ¿0 при сжатии ¿сж после отдыха ¿ц полная, % (х102) необратимая, доли
Количество циклов сжатия
- 1 100 1 100 100
Шерстипон ВПэф - 40 Верблюжья шерсть - 60 Стесненное - 24,4 23,87 23,46 0,25 0,24 0,13
увл. 18,6 18,4 17,9 0,33 0,30 0,19
Свободное - 24,2 23,83 23,2 0,23 0,22 0,13
увл. 19,3 18,31 18,8 0,31 0,31 0,13
Шерстипон ВПэф - 40 Овечья шерсть - 60 Стесненное - 14,9 13,93 12,9 0,13 0,19 0,24
увл. 16,2 15,62 14,5 0,38 0,34 0,10
Свободное - 14,7 13,58 12,5 0,23 0,21 0,12
увл. 17,0 16,28 15,01 0,09 0,26 0,23
Тинсулейт (Россия) Р 150 Стесненное - 15,8 14,81 13,72 0,28 0,25 0,13
увл. 15,9 14,21 13,9 0,18 0,36 0,05
Свободное - 15,6 14,64 13,53 0,34 0,34 0,26
увл. 16,1 15,63 14,2 0,27 0,33 0,11
Синтепон арт. СК150/300 Стесненное - 7,80 7,34 6,49 0,18 0,18 0,16
увл. 12,0 8,44 9,23 0,13 0,77 0,13
Свободное - 7,5 6,43 6,27 0,40 0,40 0,15
увл. 12,6 10,88 9,75 0,16 0,66 0,16
Холло-файбер Стесненное - 11,83 10,52 9,26 0,10 0,21 0,13
увл. 19,68 15,74 11,4 0,19 0,42 0,16
Свободное - 12,58 10,99 8,52 0,12 0,32 0,11
увл. 17,60 14,59 8,23 0,17 0,53 0,16
По результатам экспериментальных данных определяли основные статистические характеристики по известным формулам [7]. Величина относительной средне-квадратической ошибки не превышала 10 % при достоверности 0,95, а коэффициент вариации - не более 10 %.
В табл. 3 представлены фрагмент экспериментальных данных, результаты экспериментов также представлены в работах [5, 6]. На рис. 2 представлены экспериментальные кривые изменения толщины материалов при циклическом сжатии. Анализ экспериментальных результатов позволяет оценить обратимую и необратимую деформацию проб в различных условиях сжатия.
Экспериментально установлены оптимальные режимы испытаний: время нагрузки и отдыха пробы материала в цикле 5 с, параметр силового давления Рц = 1,5 даН, период нагружения 1-100 циклов. Выбранные режимы испытаний позволяют исследовать деформацию материалов, различных по составу и структуре.
Время отдыха и, с Время отдыха и, с
а б
Рис. 2. Экспериментальные графики изменения толщины материалов при циклическом сжатии п = 100 циклов, ни = 5/5 с: а — стесненное сжатие;
б — свободное сжатие
4. Анализ результатов экспериментальных исследований деформации нетканых материалов. Результаты деформации материалов после 100 циклов сжатия представлены на рис. 3. Анализ результатов показал, что необратимая деформация у образцов из синтетических волокон (№ 6, 7, 8) на 15-20 % меньше, чем у образцов из натуральных волокон (№ 1-5). Это объясняется упругими свойствами синтетических волокон. Но при свободном сжатии необратимая деформация у образца № 6 возрастает на 29 %, что связано с лучшей восстанавливаемостью материала в условиях стесненного сжатия.
Стесненное Свободное
и Необратимая и Обратимая
Рис. 3. Доли остаточной деформации после 100 циклов сжатия (Р = 1,5 даН, tнагр/итд= 5/5). Образцы: нетканое полотно холстопрошивное: 1 — полушерстяное; 2— хлопчатобумажное; 3 — войлок; нетканое полотно шерстипон: 4 — верблюжья шерсть; 5 — овечья шерсть; 6 — тинсулейт; 7 — синтепон; 8 — холлофайбер
Наибольшие значения необратимой деформации после 100 циклов сжатия при стесненном сжатии у нетканых полотен с вложением шерстяных волокон (образцы № 1, 4, 5), что обусловлено морфологией структуры волокон шерсти. Образцы с вложением синтетических волокон (образцы № 6-8) лучше восстанавливаются в условиях стесненного сжатия. В свободном состоянии необратимая деформация возрастает на 15... 25 %.
Результаты оценки деформации материалов в кондиционном и влажном состояниях при температуре воздуха 20 оС представлены на рис. 4 и в работе [5].
35
Анализ результатов на рис. 4 показал, что после 100 циклов сжатия в стесненных условиях увлажнение существенно влияет на деформацию исследуемых объектов. Доля необратимой деформации у нетканых материалов (образец № 1, 2) при увлажнении возрастает на 35...39 %. У нетканых материалов из синтетических волокон (образцы № 6-8) доля необратимой деформации увеличивается на 25.30 %. Несущественные изменения необратимой деформации наблюдались лишь у образца № 3 при увлажнении. Очевидно, это связанно с более плотной структурой данного материала по сравнению с другими объектами.
Рис. 4. Остаточная деформация нетканых полотен после 100 циклов сжатия (P = 1,5 даН, tнагр/(отд= 5/5) при воздействии влаги. Образцы материалов: полотно холстопрошивное: 1 — полушерстяное; 2— хлопчатобумажное; 3 — войлок; шерстипон: 4 — верблюжья шерсть; 5 — овечья шерсть; 6 — тинсулейт;
7 — синтепон; 8 — холлофайбер
В условиях свободного сжатия материалов во влажном состоянии у образцов № 1-5 необратимая деформация меньше на 15.29 %, чем в стесненном состоянии. В целом, после 100 циклов стесненного и свободного сжатия и воздействии влаги остаточная деформация возрастает. Поэтому, при эксплуатации изделий в районах с повышенной влажностью воздуха или обильных осадков следует тщательно подходить к выбору теплоизоляционных материалов в строительных конструкциях.
Заключение. В рамках исследования получены следующие результаты.
1. Современные нетканые теплоизоляционные материалы применяются в тепловой изоляции строительных ограждающих конструкций зданий, сооружений, трубопроводов и оборудования, а также в звукопоглощающих и звукоизолирующих конструкциях. Основным видом деформации нетканых теплоизоляционных материалов при эксплуатации является деформация сжатия. Упругость и сжимаемость - важные показатели механических свойств нетканых теплоизоляционных материалов. Проблема эффективного применения нетканых теплоизоляционных материалов обусловлена отсутствием объективных методов и средств исследования закономерностей изменения свойств материалов на этапах жизненного цикла.
2. Разработаны метод и устройство для оценки деформации нетканых теплоизоляционных материалов при сжатии. Установлены оптимальные параметры циклического сжатия, обеспечивающие объективную оценку деформации нетканых материалов при производстве и эксплуатации. Преимущество метода: автоматический режим испытаний и измерений с помощью фотодатчиков, реализация разных условий сжатия (стесненное или свободное, климатические условия). Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что деформация нетканых материалов при сжатии изменяется неоднозначно, зависит от структуры материалов, параметров сжатия. Экспериментально показано, что деформация нетканых материалов при циклическом сжатии приводит к изменению толщины материалов.
3. Изменение толщины материалов при циклическом сжатии может приводить к изменению теплофизических свойств нетканых теплоизоляционных материалов. Перспективным продолжением данной работы являются экспериментальные исследования теплового сопротивления нетканых теплоизоляционных материалов в условиях циклического сжатия на разработанном устройстве.
Список литературы
1. Серебрякова И.Н. Исследование механических свойств нетканых полотен / И.Н. Серебрякова, К. А. Дубовицкий, А.Е. Поляков, Т.П. Бордовская, Е.М. Максимова // Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности». 2012, №3. - С. 8-11.
2. Трещалин М.Ю., Мухамеджанов Г.К., Телицын А.А., Мандрон В.С., Треща-лина А.В. Производство и методы испытаний нетканых материалов. М.: МАТГР: Те-лер, 2008. 147 с.
3. Бринк И.Ю. Закономерности кинетики сжатия объемного несвязного утеплителя / И.Ю. Бринк, С.Н. Сергеенко, А.С. Рукавишников // Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности». 2007, №4. С. 69-74.
4. Жихарев А.П. Развитие научных основ и разработка методов оценки качества материалов для изделий легкой промышленности при силовых, температурных и влажностных воздействиях: дис. ... д-ра техн. наук: 05.19.01 / Жихарев Александр Павлович. М.: МГУДТ, 2005. 374 с.
5. Лисиенкова Л.Н. Исследование деформации волокнисто-сетчатых материалов методом циклического сжатия / А.И. Дерябина, Л.Н. Лисиенкова // Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности». 2013, №1. С. 3236.
6. Дерябина А.И., Лисиенкова Л.Н., Тарасова О.Ю. Моделирование деформации волокнисто-сетчатых материалов при циклическом сжатии // Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности». 2015, №3. С. 32-36.
7. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Изд-во «Наука», 1971. 281 с.
Лисиенкова Любовь Николаевна, д-р техн. наук, профессор, lisienko-valn@,mail.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУМГСУ),
Комарова Людмила Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, luknew@yandex.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Проскуряков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, vippne@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCHING THE DEFORMATION OF NONWOVENS UNDER CYCLIC
COMPRESSION CONDITIONS
L.H. Lisienkova, L.Yu. Komarova, N.E. Proskuriakov
The purpose of this work was to find the method and means for research of deformation of nonwoven heat-insulation building materials. Indicators of materials' deformation in various conditions of cyclic compression have been researched, parameters and conditions of testing have been determined. The article shows the construction and the principle of cyclic compression device's work. The article gives the method of research of materials' deformation in the presence of various parameters of compression. It is concluded that the method
37
of cyclic compression allows to forecast the behavior of nonwoven heat-insulation materials during the processes of montage and exploitation. The perspective use of this method is the research of consistent patterns of heat conduction changes in materials in conditions of cyclic compression.
Key words: nonwoven heat-insulation materials, deformation, cyclic compression.
Lisienkova Lyubov Nikolaevna, doctor of technical sciences, professor, lisienko-valn@,mail.ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU),
Komarova Lyudmila Yurievna, candidate of technical sciences, docent, luknew @yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Proskuriakov Nikolai Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, vippne@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 05.02.13 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-4-38-45
ПОДБОР ЗАЩИТНЫХ ЛАКОВ ДЛЯ ТОРЦОВ ОФСЕТНОГО РЕЗИНОТКАНЕВОГО ПОЛОТНА
С.Ю. Ямилинец, А.П. Кондратов
Рассмотрено офсетное резинотканевое полотно в офсетной печатной машине, определяющая тираж и качество полиграфической продукции. Для увеличения ресурса предложено защищать от химического разрушения и деформации наиболее уязвимые части этого полотна - торцы, используя тонкий слой лака или химически стойкую краску. Экспериментально и теоретически исследована химическая стойкость чистых и окрашенных торцов резинотканевого полотна. Количественно оценены защитные характеристики покрытий торцов офсетного резинотканевого полотна по абсорбции и проницаемости жидкостей, являвшихся моделями агрессивных компонентов. Предложен параметр - степень защиты полотна лаком для обоснования выбора плёнкообразующего полимера в сочетании
Ключевые слова: офсетное резинотканевое полотно, сорбция растворителей, диффузия, защита торцов.
Объектом исследования является офсетное резинотканевое полотно (ОРТП) марки Saphira Blankets, традиционно применяемое для печати масляными красками (рис. 1). ОРТП является неотъемлемой частью конструкции офсетной печатной машины. ОРТП — это многослойный композиционный материал толщиной 1,96 мм, в конструкции которого есть обработанные тканевые слои, различные резиновые композиции [1-3]. В ОРТП для печати масляными красками используются бутадиен-нитрильный каучук (NBR).
Актуальность темы статьи заключается в необходимости изучения и снижении влияния агрессивных компонентов расходных полиграфических материалов (ежедневных смывочных средств, средств глубокой очистки полотна, добавок в увлажняющие растворы других технических жидкостей) на торцы ОРТП и изучении взаимодействия покрытий для их защиты с разными веществами. От качества ОРТП зависит качество печати. ОРТП контактирует с различными жидкостями: краской, смывками, очистителями, бумагой, увлажняющим раствором. Все эти жидкости проникают в ОРТП не столько через контактирующую рабочую поверхность ОРТП сколько через торцы полотна.
