СИСТЕМА КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ОТРАЖЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Таблица 4

Результаты сопоставления экспериментальных и теоретических значений условного модуля упругости нетканых

материалов

№ образца Пористость^ Модуль упругости волокна ЕВ, МПа Условный модуль упругости ЕНМЭ, МПа Расчетное значение условного модуля упругости ЕНМ = ЕВ • (1 _ ^0,01065367) МПа Относительная погрешность (ЕНМЭ-ЕНМ)'100 П/ ЕНМэ '

1 0,791 3500 9,7826087 8,731498 10,74468

2 0,793 3500 8,92 8,637571 3,166247

3 0,827 3500 7,0121951 7,075686 -0,90544

4 0,845 3500 7,5652174 6,274338 17,06335

5 0,757 3500 10,430328 10,36526 0,623835

6 0,861 3500 7,0917722 5,576081 21,37253

7 0,763 3500 9,7647059 10,07174 -3,14433

8 0,809 3500 6,8138801 7,894479 -15,8588

9 0,909 3500 2,4304511 3,555833 -46,3034

10 0,875 3500 5,2597087 4,975558 5,402405

11 0,862 6500 8,8076923 10,27533 -16,6631

12 0,849 6500 9,8103448 11,32589 -15,4484

13 0,89 4100 5,686808 5,087044 10,54658

14 0,684 3500 12,668161 14,13321 -11,5648

15 0,877 4100 5,56994 5,728925 -2,85434

16 0,879 4100 5,554932 5,629564 -1,34352

17 0,874 3500 6,0980392 5,018136 17,70902

18 0,87 4100 5,517867 6,078463 -10,1597

19 0,848 3500 6,6229947 6,142424 7,256095

20 0,835 3500 7,5806452 6,717422 11,3872

21 0,862 3500 5,9945055 5,532867 7,70102

22 0,83 3500 6,9535452 6,940937 0,181321

23 0,877 3500 6,009009 4,890546 18,61311

24 0,877 3500 5,489426 4,890546 10,90971

25 0,827 3500 7,2287918 7,075686 2,117999

26 0,958 6500 2,651616 2,970616 -12,0304

27 0,989 6500 0,82967 0,765913 7,684644

28 0,919 6500 5,345813 5,846761 -9,37085

29 0,972 6500 2,043227 1,966334 3,763331

30 0,977 6500 1,633684 1,611126 1,380801

Список источников

1. Трещалин Ю.М. Обоснование применения нетканых полотен для производства композиционных материалов на текстильной основе: дис... канд. техн. наук / Ю.М. Трещалин. - Кострома, 2013. -166 с.

2. Трещалин Ю.М. Композиционные материалы на основе нетканых полотен: монография / Ю.М. Трещалин. - М.: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 2015.- 220 с.

3. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: монография / Г.Е. Кричевский. -

М.: Изд. РосЗИТЛП. т. 1, 2000 - 436 с.; т. 2, 2001 - 540 с.; т. 3, 2001 - 298 с.

4. Электронный ресурс. - Режим доступа: http:/ /www.dpva.info/Guide/GuidePhvsics/GuidePhvsicsHe atAndTemperature/HeatexpansionCoefficient/HECfor Plastics/

5. Электронный ресурс. - Режим доступа: http:// all-chem.ru/pages/encyclopedia/4247

6. Электронный ресурс. - Режим доступа:http: //www. xumuk.ru/encyklopedia/2/3618.html

7. Петухов Б.В. Полиэфирные волокна. Электронный ресурс. - Режим доступа:newlibrary.ru> ...petuhov_ b...poliyefirnye_volokna.html

СИСТЕМА КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ОТРАЖЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

НЕТКАНЫХ ПОЛОТЕН

Трещалин Юрий Михайлович

кандидат технических наук, Московский государственный университет, имени М.В. Ломоносова,

г. Москва.

THE SYSTEM OF CRITERIA TO REFLECT THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF NONWOVEN FABRICS Treschalin Yuri, candidate of technical sciences, Moscow state University, Moscow АННОТАЦИЯ

В статье производится разработка критериев, позволяющих анализировать свойства нетканых полотен. В результате исследований получены критериальные уравнения, посредством которых можно прогнозировать механические и фильтрационные характеристики. ABSTRACT

The article is development of criteria that allow to analyze the properties of nonwoven fabrics. As a result of research obtained criterial equations by which we can predict the mechanical and filtration characteristics. Ключевые слова: критерий, подобие, нетканое полотно, структура, свойства. Keywords: criterion, similarity, nonwoven fabric, structure, properties.

Для обоснования возможности применения математических зависимостей, позволяющих оценить численные значения основных характеристик процесса самопроизвольного впитывания жидкости изотропными волокнистыми материалами, целесообразно использовать систему критериев, отражающих разнообразие структуры и свойств нетканых полотен вследствие воздействий, возникающих при их изготовлении и эксплуатации.

Таким образом, постановка задачи исследования формулируется следующим образом:

- выявление физических величин, характеризующих особенности производства и структуры нетканого материала относительно процесса самопроизвольного впитывания жидкости;

- формирование безразмерных критериев, каждый из которых, в соответствие с основными принципами теории подобия [1-3], должен состоять из размерных физических величин, наиболее полно отражающих особенности материала и кинетику впитывания жидкости;

- определение взаимосвязи между критериями в виде критериальных уравнений.

Следует отметить, что методы формирования и возможности использования критериев подобия для групп подобных явлений, научные основы реализации аспектов теории подобия и анализа размерностей при решении сложных многопараметрических зависимостей оценки свойств текстильных материалов, применение теории подобия применительно к проектированию швейных изделий и выбору материалов для их изготовления, прогнозированию физико-механических свойств хлопчатобумажных тканей после действия различных факторов износа, формированию выражений для критериев эффективности, интенсивности и пригодности оборудования для выполнения операции обработки натуральных кож гигротермическим воздействием на их микроструктуру изложены в работах В.Л. Веникова, Ю.С. Шустова, Л.А. Осипенко, А.В. Курденковой, Л.В. Лариной [4-8] и других исследователей.

Принципиальный подход при разработке критериев заключается в том, что величины, характеризующие рассматриваемые материалы и процессы, являются взаимосвязанными и взаимозависимыми, вследствие чего можно воспользоваться математическим аппаратом, представляя совокупность различных показателей в виде уравнений. Кроме того, анализ преобразования размерностей позволяет сделать вывод о том, что всякое соотношение между размерными величинами можно сформулировать как безразмерный комплекс. При этом метод анализа размерностей позволяет проследить влияние каждого из аргументов на конечный результат.

Волокнистый материал целесообразно рассматривать с двух позиций: технологической и структурной, которые обусловлены способом производства.

Текстильное изделие, в большинстве случаев, характеризуется поверхностной плотностью Пп и видом волокнистого состава. Учитывая, что все волокна (мононити) различны по своей природе, наиболее значимым показателем разнообразия структурных элементов следует считать их плотность рв. Однако перечисленные показатели не полностью отражают представление о материале, как с позиции целевого использования, так и с точки зрения строения и свойств. Поэтому для полноты оценки готового продукта следует учитывать и толщину 5, что позволяет вычислить объемную плотность и пористость материала, а также иметь опосредованное представление о тепло и звукоизоляционных свойствах и т.д.

Структура материала, в основном определяется: характерным размером волокон (мононитей), который может быть выражен через диаметр d, и их взаимным расположением, что дает представление о свойствах (анизотропия или изотропность). Относительно течения жидкости в поровом пространстве, структуру материала определяют его пористость ^ и радиус условного капилляра гэф, которые дают возможность численно оценить основные параметры процессов самопроизвольного впитывания или фильтрации. Кроме того, взаимное расположение структурных элементов и их размеры оказывают существенное влияние на проницаемость волокнистой среды, что особенно важно при определении высоты подъема жидкости.

Учитывая вышеприведенные доводы, в качестве наиболее информативных характеристик текстильного, и, в частности, нетканого материала, включающих основные технологические, структурные и физические показатели, так или иначе связанные с самопроизвольным впитыванием и фильтрацией жидкости, могут быть следующие безразмерные критерии:

„ „ Пп10-3 Пп ~

- технологический: Кт =-- = — = (1 — Е);

т Рв-6-10-3 Рв-6 4 ^

- структурный: Кс = —;

гэф

k

- проницаемости: Кп = —, где: Пп - поверхностная плотность, г/м2; рв, d - плотность (кг/м3) и диаметр (м) волокна (мононити) соответственно;

5, ^ - толщина (мм) и пористость материала соответственно;

И - высота самопроизвольного подъема жидкости, м; к - показатель проницаемости структуры материала, м2.

Для характеристики течения жидкости, как правило, используется критерий Рейнольдса Re, который

применительно к данному случаю можно представить как: Re = VE(h)M

V

где: vср(h) - средняя скорость впитывания жидкости, м/с; гэф - радиус условного капилляра волокнистого материала, м;

V - кинематический коэффициент вязкости, м2/с. _Исходные данные д.

Анализ возможности применения предложенных критериев для характеристики кинетики впитывания волокнистым материалом проводится на основе имеющихся результатов экспериментальных и теоретических исследований нетканых полотен «Геотекс», «Геоком» и «Холлофайбер» (табл. 1).

Таблица 1

проведения анализа_

Наименование полотна Поверхностная плотность, г/м2 Толщина, мм Пористость * Высота подъема жидкости ^9, м к, м2 Время впитывания жидкости т*, с гэф, м

Геотекс-150 153 1,73 0,9 0,06162 8,847-10-13 986,55 9,446-10-8

Геотекс-200 207 2,03 0,855 0,09405 9,960-10-13 1270,54 1,708-10-7

Геотекс-250 255 2,39 0,875 0,07923 9,525-10-13 1145,35 1,345-10-7

Геотекс-300 304 2,62 0,87 0,08287 9,641-10-13 1176,80 1,432-10-7

Геотекс-350 343 2,93 0,88 0,07563 9,403-10-13 1113,79 1,260-10-7

Геотекс-400 401 3,05 0,88 0,07563 9,403-10-13 1113,79 1,260-10-7

Геотекс-500 495 3,14 0,835 0,10959 1,032-10-12 1394,03 2,114-10-7

Геотекс-550 513 3,23 0,845 0,10173 1,015-10-12 1332,50 1,906-10-7

«Геотекс»-600 598 3,72 0,82 0,12174 1,057-10-12 1485,49 2,448-10-7

Геотекс-650 611 3,84 0,85 0,09787 1,005-10-12 1301,57 1,806-10-7

Холлофайбер медиум Р 15 526 20 0,958 0,02432 1,072-10-12 610,70 2,376-10-8

Холлофайбер софт Р 5191 118 17,7 0,989 0,00617 4,285-10-13 400,32 2,333-10-9

ХоллофайберхардFР 205 226 4,5 0,919 0,04888 1,462-10-12 863,54 6,791-10-8

Холлофайбер медиум Р 453 214 12,3 0,972 0,01598 8,467-10-13 515,64 1,215-10-8

Холлофайбер медиум Р 608 369 26,3 0,977 0,01306 7,479-10-13 479,54 8,725-10-9

Геоком Д-100 93 2,32 0,945 0,03228 9,154-10-13 496,22 1,153-10-8

Геоком Д-200 220 2,43 0,92 0,04823 8,261-10-13 766,78 7,444-10-8

Геоком Д-350 367 3,38 0,89 0,06855 9,408-10-13 1064,56 1,083-10-7

Геоком Д-450 455 4,00 0,895 0,06507 8,879-10-13 1016,35 1,022-10-7

Геоком Д-600 595 4,46 0,88 0,07563 8,500-10-13 1159,69 1,210-10-7

Расчет указанных критериев, результаты которого представлены в табл. 2, проводился при следующих значениях физических и геометрических характеристик жидкости и материала [10- 14]:

- vж = 1,004-10-6 - кинематический коэффициент вязкости воды при t = 25 0С, м2/с;

- йгт = 0,0000185 - диаметр одиночной полипропиленовой мононити, извлеченной из образца нетканого полотна «Геотекс - 350», м;

- dх = 0,00003305 - диаметр одиночной полиэфирной мононити нетканого полотна «Холлофайбер», м.

- dгк = 0,0000193- осредненный диаметр штапельного волокна нетканого полотна «Геоком», вычисленный исходя из: состава смеси (20% -полиэфирные и 80% - полипропиленовые волокна), средних значений диаметров полипропиленового волокна -0,0000190 м и полиэфирного волокна - 0,0000225 м, м;

- ргт = 910 - плотность одиночной полипропиленовой мононити, кг/м3;

- рх = 622,08 - плотность одиночной полиэфирной мононити нетканого полотна «Холлофайбер», кг/м3;

- ргк = 1004 - осредненная плотность штапельного волокна нетканого полотна «Геоком», вычисленная исходя из: состава смеси (20% -полиэфирные и

80% - полипропиленовые волокна), средних значений плотностей полипропиленового волокна - 910 кг/м3 и полиэфирного волокна - 1380 кг/м3, кг/м3. Данные табл. 2 позволяют провести численный анализ с целью определения системной взаимосвязи между Re, Кт, Кс, Кп в виде критериальных уравнений. Решение задачи проводилось с использованием программного комплекса Mathcad 15.

Ниже, в табл. 3 приведены полученные математические зависимости, графики, коэффициенты корреляции и относительная погрешность расчета соответствующих значений, представленных в табл. 2.

Анализ проведенных расчетов дает возможность сделать выводы о том, что:

- предложенные критерии: технологический Кт =

П „ .. ^ к

—, структурный Кс = —, проницаемости Кп = —,

Рв-5 гэф ьа

г, " г> уср(Ю'гэф

и Рейнольдса Re = —^—- всесторонне характеризуют нетканые полотна (за исключением клееных) с позиции взаимосвязи структурных, физических и технологических показателей. В частности, условный модуль упругости и, как следствие, разрывная нагрузка, могут быть вычислены с использованием технологического критерия по формулам: ЕНМ = ЕВ ■ [1 - (1 - Кт)0'01065367)] и RНМ = 0,005 ■ 5 ■ ЕВ ■ [1 - (1 - Кт)°,°1065367)];

Таблица 2

Расчет безразмерных критериев Re, Кт, Кс, Кп

Наименование полотна Средняя скорость впитывания жидкости vср, м/с Re = Vср■rэф V Пп Кт - о Рв • 3 Кс=Ь гэф к

Геотекс-150 6,24643-10-5 5,877-10-18 0,09718605 176,260 7,76024-10-7

Геотекс-200 7,40268-10-5 1,259-10-17 0,11205543 92,5747 5,72416-10-7

Геотекс-250 6,91745-10-5 9,266-10-18 0,11724677 120,357 6,49846-10-7

Геотекс-300 7,04212-10-5 1,004-10-17 0,12750608 112,383 6,28864-10-7

Геотекс-350 6,79013-10-5 8,522-10-18 0,12864268 129,186 6,72079-10-7

Геотекс-400 6,79013-10-5 8,522-10-18 0,14447847 129,186 6,72079-10-7

Геотекс-500 7,86133-10-5 1,655-10-17 0,17323440 73,0662 5,09501-10-7

Геотекс-550 7,63452-10-5 1,449-10-17 0,17453135 82,0199 5,39414-10-7

«Геотекс»-600 8,195-10-5 1,998-10-17 0,1766513 61,9639 4,69527-10-7

Геотекс-650 7,51928-10-5 1,352-10-17 0,1748511 87,0742 5,55497-10-7

Холлофайбер медиум Р 15 3,98169-10-5 9,422-10-19 0,04228604 1332,58 1,33447-10-7

Холлофайбер софт Р 5191 1,54103-10-5 3,580-10-20 0,01076786 14010,7 2,1017-10-6

ХоллофайберхардFР 205 5,6609-10-5 3,829-10-18 0,08093814 447,252 9,05294-10-7

Холлофайбер медиум Р 453 3,09861-10-5 3,749-10-19 0,02798462 2644,13 1,60361-10-6

Холлофайбер медиум Р 608 2,72285-10-5 2,366-10-19 0,02256442 3700,94 1,73318-10-6

Геоком Д-100 6,50543-10-5 3,339-10-18 0,06430108 352,033 9,01540-10-7

Геоком Д-200 6,28967-10-5 4,663-10-18 0,09017428 235,935 8,17619-10-7

Геоком Д-350 6,43911-10-5 6,946-10-18 0,11814729 158,579 7,11167-10-7

Геоком Д-450 6,40208-10-5 6,518-10-18 0,11329681 168,030 7,07077-10-7

Геоком Д-600 6,52139-10-5 7,861-10-18 0,13287656 138,732 6,12363-10-7

Результаты расчетов по определению взаимосвязи между критериями

Таблица 3

Математическая зависимость

График зависимости

Значение коэффициента корреля-

ции К]

2

к

Величина относительной погрешности,%

mm

max

Зависимость критерия Re = Уср^Гэф от структурного критерия Кс = ^-волокнистого материала

Re = [196,5504927 ■ (Кс)-1Д15 - 2,018145 ■ 10-13 ■ (Кс)2'5 + 3,6390757 10-3] -10-17

1,00

- 2,341

3,516

Зависимость критерия Re = Уср Гэф от критерия проницаемости Кп = волокнистого материала

_V_Ь-п

п _ г 87,8404033 Re = [(К„-10-7)2Д +

3,5678135-10-3-(Кп-10-7) - 0,1318564] ■ 10-17

030297012 6.56125355*10"

0,999

- 3,027

4,906

_ Пп Н-П

Зависимость технологического критерия Кт = — от структурного критерия Кс = — волокнистого материала

Рв° _Гэф_

Кт = 1,5368819 кс 3,5294938 ■ 10-9 ■ К 7,2155446 ■ 10-:

К-0'5 +

1,5

¡5 0155

Ъ.

| олс: ; 0.083 I 0.065 ! 0.047 0.025 0.011

5.676Х103 8484х103

Структурный критерий Кс

0,996

- 9,759

8,263

Зависимость критерия проницаемости Кп = — от структурного критерия Кс = — волокнистого материала

гэф

- численный анализ взаимосвязи критериев Re(Кс), Re(Кп), Кт(Кс) и Кп(Кс) позволил установить наличие математических зависимостей в виде следующих критериальных уравнений:

2.

6.

Re = [196,5504927 • (Кс)-

2,018145 • 10-13 • (Кс)2'5 + 3,6390757 • 10-3] • 10

-17.

Re = [

87,8404033 + 3,5678135 • 10-3 • (Кп • 10-7) - 0,1318564] • 10-17;

0,5 + 3,5294938 • 10-9 • Кс1,5 - 7,2155446 • 10-3;

L(K„-10-7)2'4

Кт = 1,5368819 • К,

Кп = (15,3716709 • К,

0,1

7,0963161 • 105 • Кс

3,5

18,2588699) • 10-

7

приведенные критериальные уравнения дают возможность численно оценить и прогнозировать свойства нетканых материалов применительно к процессу самопроизвольного впитывания жидкости.

Список источников Гухман А.А., 1968, Введение в теорию подобия. -М:, Высшая школа, 355 с.

Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. — 10-е изд., доп. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987 г. — 432 с.

Электронный ресурс. - Режим доступа: http:// www.metrob.ru/HTML/stati/kachestv-edinica.html. Митрохин А.Н., 2005, Качественная единица как элемент размерностного анализа или к вопросу о размерности "безразмерных" величин. Веников В. А. Теория подобия и моделирования. — М.: Высшая школа, 1976. — 479 с. Шустов Ю.С. Основы научных исследований свойств текстильных материалов. - М.: Издательство: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2012. - 120 с. Осипенко Л. А. Разработка и исследование научно обоснованной методики конфекционирования материалов для одежды различного назначения.: Дис.... канд. техн. наук: 05.19.04 / Л. А. Осипенко-ФГБОУ ВПО «МГУС», М., 2004. - 130 с.

7. Курденкова, А.В. Разработка методов прогнозирования физико-механических свойств хлопчатобумажных тканей после действия различных факторов износа.: Дис.... канд. техн. наук: 05.19.01 / А.В. Курденкова А.В. - М., 2006. - 254 с.

8. Ларина Л. В. Методология исследования и разработки процессов и оборудования для обработки натуральных кож гигротермическим воздействием на их микроструктуру в условиях вакуума.: Дис.... канд. техн. наук: 05.02.13 / Л. В. Ларина - ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», Шахты., 2013. - 318 с.

9. Кирпичев М. В. Теория подобия. — М.: Изд. АН СССР, 1953, 94с.

10. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www .novedu.ru/Вязкостьводы,

11. Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www .dpva.info/Guide/GuidePhysics/GuidePhysicsHeatAnd Temperature/HeatexpansionCoefficient/HECforPlasti cs/

12. Электронный ресурс. - Режим доступа:http:/ /allchem.ru/pages/encyclopedia/4247

13. Электронный ресурс. - Режим доступа: http:// www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3618.html

14. Петухов Б.В. Полиэфирные волокна. Электронный ресурс. - Режим доступа: newlibrary.ru>...petuhov _b...poliyefimye_volokna.html

,115

ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ ГОРЯЧЕГО ПРОКАТА

Хайруллин Ильдар Асхатович, Слепова Ирина Олеговна, Хасанова Резеда Валлямовна

студенты Магнитогорского государственного технического университета им Г.И. Носова,

г. Магнитогорск Картавцев Сергей Владимирович Доктор. техн. наук, профессор кафедры ТиЭС МГТУ им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск

EVALUATION OF THE USE OF HEAT HOT ROLLED

Khairullin Ildar, Student of Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk Slepova Irina, Student of Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk Khasanova Rezeda, Student of Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk