CC BY
59
УДК 675.026
Ю. М. Трещалин, М. В. Киселев, В. В. Хамматова, М. Ю. Трещалин, А. М. Киселев
СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ «ХОЛЛОФАЙБЕР»
Ключевые слова: нетканые материалы, композиционные материалы, компьютерная томография, математическое
моделирование.
На основе современных методов компьютерной томографии выполнены исследования структуры нетканых материалов торговой марки "Холлофайбер". Получены трехмерные геометрические изображения структуры нетканых материалов «ХоллофайберВолюметрикР 179». Выполнено исследование строения нетканого материала и выявлены механизмы взаимодействия мононитей, определяющие его механическую прочность. Определены направления дальнейших исследований для построения геометрической модели нетканых полотен близкой к реальным.
Keywords: non-woven materials, composite materials, computer tomography, mathematical modeling.
On the basis of modern methods of computer tomography studies of the structure are made of nonwovens brand "Hollofayber." Three-dimensional geometric structure of the image of nonwovens "Hollofayber Volyumetrik P 179". The research of the structure of non-woven material and to identify the mechanisms of interaction of the filaments, which determine its mechanical strength. The directions for further research to build a geometric model of nonwoven webs close to the real.
Нетканые синтетические полотна в настоящее время нашли широкое применение практически во всех сферах жизнедеятельности [1]. Наиболее востребованы материалы таких ассортиментных групп как: швейный утеплитель, мебельный наполнитель, наполнители подушек, игрушек и одеял, гео- и агротекстиль, санитарно-гигиенический, фильтрующий и т.д. Перспективным направлением является производство нетканых полотен технического назначения, способствующих проведению модернизации значительного числа отраслей промышленности: нефте-,
газоперерабатывающей, судо- и автомобилестроением, строительством и т. д.
Основой таких материалов, как правило, являются химические волокна, производство которых в Российской Федерации является оправданным благодаря огромным запасам природного сырья (нефть, газ).
Нетканые полотна, производимые в России, различаются как исходным сырьем, так и технологиями изготовления: термоскрепленные, из полых полиэфирных волокон (ООО «ТЕРМОПОЛ»), иглопробивные термоскрепленные из непрерывных полипропиленовых нитей, изготовленных фильерным способом спанбонд (ООО «Сибур-Геотекстиль», ОАО «Ортон»), иглопробивные из штапельных полиэфирных и полипропиленовых волокон (ОАО «Комитекс») и т.д. Как следствие, материалы имеют различную структуру и прочностные свойства. Кроме того, для потребителя большое значение имеют характеристики, объемная доля и взаимное расположение волокон (мононитей), экологическая и гигиеническая чистота продукции - факторы, обеспечивающие расширение и постоянное обновление ассортимента нетканых полотен.
В связи с вышеизложенным, следует отдать предпочтение материалам, известным под товарным знаком «Холлофайбер», по следующим причинам:
- наличие экологического и гигиенического сертификатов качества;
- сырье - 100% полиэфирные мононити;
- пожаро - безопасность, безвредность для здоровья человека;
- большой диапазон изменения поверхностных плотностей и толщин материалов.
Указанные преимущества позволяют применять нетканые полотна «Холлофайбер» для изготовления широкого спектра изделий, востребованных в промышленности, строительстве, ЖКХ.
Широкий спектр применения нетканых материалов требует и их различных технических характеристик, которые должны быть обоснованы с точки зрения получаемой, согласно выбранной технологии, структуры. Кроме того, необходимо выяснить механизмы взаимодействия волокон друг с другом, их взаимное расположение и характеристики одиночных волокон, поскольку именно данные факторы структуры будут определять механические свойства получаемого материала. Наиболее перспективным современным направлением исследований является построение 3Б структуры материала, как наиболее приближенной модели к реальной. В данном направлении известны работы по применению компьютерной томографии для исследования текстильных структур [2].
Однако размеры поперечного сечения одиночных нитей тканых структур существенно больше размеров поперечного сечения одиночных волокон нетканых материалов, достигающих величины 0.05 мм. Анализ работ, выполненных в данном направлении, показал, что получение качественного изображения одиночной нити даже в структуре тканого материала при использовании томографов медицинского назначения представляет существенные проблемы [3]. Поэтому для исследования структуры нетканых материалов был применен профессиональный томограф центра коллективного пользования Федерального
Казанского университета. В частности проведены исследования микроструктуры материала марки «Холлофайбер Волюметрик Р 179» (поверхностная плотность 600 г/м2). Общий вид 3Б-изображения образца, размером 20*20*20 мм, приведен на рисунке 1.
Рис. 1 - ЭБ-изображение структуры нетканого полотна «Холлофайбер ВолюметрикР 179»
Ранее, в работе [4], осуществлялось компьютерное моделирование 3Б структуры нетканого материала со случайным расположением одиночныхмононитей по объему материала, однако для приближения точности компьютерной модели к реальной структуре необходимы
экспериментальные данные. Построение автоматизированных систем прогнозирования физико-механических свойств композитов невозможно без построения геометрической модели исследуемого материала [5], поэтому изучение строения нетканых материалов на уровне одиночных мононитей является важным этапом решения поставленной задачи.
Детальное изучение расположения и взаимозацеплениямононитей позволяет отметить их гибкость, эластичность и извитость, что можно проследить по любой, произвольно взятой, мононити, на рисунке 2.
Рис. 2 - Расположение мононитей в структуре нетканого полотна «Холлофайбер Волюметрик Р 179»
Внешняя поверхность мононити не ровная и напоминает гофрированный шланг. Такая
поверхность, безусловно, способствует усилению взаимозацепления (трения) структурных элементов внутри материала.
Анализ структуры нетканого полотна (рис. 2) показывает, что мононити:
- неплотно прилегают друг к другу;
- интенсивно перепутаны между собой;
- пронизывают толщу материала во всех направлениях;
- имеют ярко выраженный петлеобразный характер расположения.
Весьма положительным моментом является значительное превышение радиуса петель (извитости) радиуса мононити. Этот факт позволяет сделать вывод об отсутствии трещинообразования, ломки или наличия напряжений в мононитях вследствие изгиба.
Кроме того, наблюдается наличие мононитей, диаметр которых несколько выше диаметра большинства структурных элементов. С точки зрения физико-механических свойств, мононити большего диаметра, являющиеся как бы основой, вокруг которых переплетаются нити меньшего диаметра, способствуют упрочнению материала в целом.
Необходимо отметить некоторую
неравномерность заполнения мононитями рассматриваемого микрообъема: можно
констатировать наличие плотной укладки и наличие пустот. В тоже время очевидно отсутствие капилляров в общепринятом виде. Поэтому, с точки зрения физического моделирования, нетканые полотна следует рассматривать как сплошную среду, имеющую пористое строение и волокнистую структуру, а определять радиусы капилляров, как это делается сейчас, в принципе не имеет смысла.
Улучшение характеристик нетканых полотен «Холлофайбер» во многом достигается за счет термоскреплениямононитей. На рисунке 3 показана спайка отдельныхмононитей, создающая дополнительный упрочняющий эффект.
Рис. Э - Спайка отдельныхмононитей в структуре нетканого полотна
Обобщая результаты исследований, следует отметить высокую степень взамозацепления структурных элементов, что положительно сказывается на повышении физико-механических свойств нетканых полотен «Холлофайбер». Наличие пустот позволяет использовать такие материалы в качестве теплоизоляторов, т. к. развитое поровое пространство способствует снижению
эффективности теплообменных процессов. По этой же причине указанные полотна являются хорошей звукоизоляцией. Благодаря своей структуре, особенностям строения мононитей, материалы «Холлофайбер» находят широкое применение в качестве основы композитов - новое перспективное направление дальнейшего развития компании «ТЕРМОПОЛ». Перспективами дальнейших исследований структуры материалов является получение численных характеристик мононитей на основе современных технологий обработки 3Б геометрических образов.
Заключение
1. Выполнено экспериментальное исследование структуры одного из марок нетканого полотна компании «ТЕРМОПОЛ», позволяющее определить причины механической прочности материала.
2. Полученные экспериментальные данные являются основой для построения вероятностной 3Б геометрической модели нетканых материалов с целью прогнозирования их заданных потребительских свойств.
Литература
1. Трещалин Ю.М., Киселев А.М. Применение нетканых полотен «Холлофайбер» для изготовления композиционных материалов. Директор /Изд-во «РИА «Лег-промбизнес». - Санкт-Петербург. - № 1 (146). -2014.С. 19 - 22.
2. Summerscales, J., Russell, P.M., Lomov, S.V., Verpoest, I., Parnas, R. The fractal dimension of X-ray tomographic sections of a woven composite // Advanced Composite Letters.-Vol 13. - N2. - 2004. - P. 115-123.
3. Ивановский В.А. Анализ компьютерных томографов для дефектоскопии цельнотканых армирующих структур. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. - Иваново: Текстильный институт ИвГПУ. - 2013. - № 3 (345). С.23 - 28.
4. Киселев А. М. Моделирование структуры и деформационных свойств волокнистых холстов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук.— Кострома, КГТУ. 2012. 16 с.
5. Lomov, S.V. Gusakov, A.V. Huysmans, G. Prodromou, A. Verpoest, I. Textile geometry preprocessor for meso-mechanical models of woven composites // Composites Science and Technology. - Vol. 60 - 2000 - P.2083-2095.
© Ю. М.Трещалин - материаловед-исследователь, [email protected]; М. В. Киселев, д.т.н., профессор Костромской государственный технологический университет, [email protected]; В. В. Хамматова - зав. кафедрой "Дизайн", КНИТУ, [email protected]; М. Ю. Трещалин, д.т.н., профессор МГУ имени М.В. Ломоносова, [email protected]; А. М. Киселев к.т.н., Костромской государственный технологический университет, [email protected].
© Y. M. Treshchalin - a materials researcher, [email protected]; M. V. Kiselev, doctor of technical Sciences, Professor Kostroma state technological University, [email protected]; V. V. Khammatova - head. the Design Department, Kazan National Research Technological University, [email protected]; M. Y. Treshalin, Ph. D., Professor of MSU named after M. V. Lomonosov [email protected]; A. M. Kiselev, candidate of technical Sciences, Kostroma state technological University, [email protected].
