Механические свойства волокон при растяжении

Механические свойства волокон и нитей

Механические свойства различных наполнителей изучают при проведении разнообразных исследований, осуществляемых экспериментальными методами. Результаты исследований обобщают с использованием теорий разрушения и деформирования, т.е. теорий упругости, высокоэластичности, пластичности. Механические свойства волокон и нитей зависят от их строения, от природы исходного вещества, однако проявляются они в зависимости от действия на них сил (величины напряжений), приложение которых вызывают перемещение в волокнах и нитях составляющих их веществ. Природа волокнистых наполнителей сказывается в том, что при определении деформации необходимо учитывать большое влияние на ее величину времени действия сил, кратности числа нагрузок, различных внешних факторов — температуры, количества поглощенных веществ (например, водяных паров) и т. д. Влияние структуры волокон и нитей сказывается в основном в их анизотропности.

Схемы физико-механических испытаний могут быть различными, например нагрузка может сопровождаться последующей разгрузкой, а порой и отдыхом. Подобное воздействие может быть повторено много раз. Отсюда при определении механических свойств возникает понятие испытательного цикла, при котором осуществляется последовательность воздействий: нагрузка — разгрузка — отдых.

Механические свойства волокон и нитей определяют их отношение к действию различно приложенных к ним сил. Под действием сил волокна и нити деформируются, а порою и разрушаются. Внешние силы могут быть: а) приложены по разным направлениям и, следовательно, вызывать деформации различных типов — растяжение, сжатие, изгиб, кручение и др.; б) различны по величине, и поэтому вызывать неодинаковые деформации, в том числе и разрушающие; в) кратковременными или действовать в течение продолжительного времени; г) с разным числом чередующих нагрузок и «отдыхов» после них. В целом при определении механических свойств волокон и нитей в текстильном материаловедении используют более 50 различных характеристик. Наиболее часто встречающимся видом воздействия является растяжение. Для каждого вида деформации в зависимости от способа осуществления испытательного цикла, включающего приложение к материалу силы (нагружение), разгрузку и последующий отдых, получают три группы характеристик механических свойств: полуцикловые, одноцикловые и многоцикловые. Полуцикловые характеристики определяют отношение тела к одноразовому нагружению и позволяют судить о его прочностных, предельных механических возможностях.

Полуцикловые разрывные характеристики для волокон и нитей в основном определяют при растяжении; при других видах деформации (кручение, изгиб, сжатие) явление их разрушения в практике либо не встречается, либо весьма редкое. Полуцикловые характеристики определяют отношение материалов к однократному, обычно кратковременному и лишь иногда к длительному нагружению. Если оно сопровождается разрушением, эти характеристики показывают предельные механические возможности материала. Они также хорошо отражают сильную деструкцию молекул вещества, составляющего материал, в результате воздействия на него различных химических и физических факторов, потерю массы материала и др.

Одноцикловые характеристики получают при длительных режимах нагружения и последующего отдыха для выявления влияния временного фактора, особенностей деформации тела, способного сохранять размеры и форму и др.

Многоцикловые характеристики определяют устойчивость тела к многократным небольшим силовым воздействиям, нарушающим его структуру.

Многоцикловые характеристики показывают устойчивость механических свойств при многократных силовых воздействиях. При действии малых сил, но многократно, нарушается структура тел, ослабляются межмолекулярные связи, молекулы даже деструктируются. Таким образом, многоцикловыми характеристиками оценивают устойчивость структуры.

Для целей, которые обеспечиваются характеристиками одного класса, не следует получать характеристики другого класса. Например, полуцикловые характеристики плохо отражают изменения в структуре и в механических свойствах, происходящие вследствие многократных силовых воздействий. Пытаться с их помощью отразить подобные постепенные расшатывания структуры нецелесообразно. Наоборот, усталостные характеристики не выражают предельную возможность нагружения тел, так как оцениваются при малых нагрузках, но обеспечивают лучшее объяснение, например обрывности при подобных воздействиях.

При изучении механических свойств волокон и нитей наибольшее значение получили исследования их растяжения. Это объясняется тем, что форма волокон и нитей (малые поперечные размеры и значительная длина) часто вызывает такой характер приложения к ним сил, при котором в них возникают деформации растяжения. В волокнах и нитях при изгибах части их поперечных сечений, лежащие выше нейтральной оси, испытывают растяжение. При экспериментальном изучении растяжения чаще всего получают полуцикловые характеристики, доводя образцы до разрушения. При растяжении образцов волокон и нитей до разрыва определяют ряд характеристик.

Первой из них является характеристика по внешней силе, требующейся для растяжения образца, — разрывная нагрузка Рр. Ее определяют непосредственно на разрывных машинах.

Разрывную нагрузку часто называют абсолютной прочностью, поскольку она выражается тем максимальным усилием, которое образец выдерживает в условиях постепенного нарастания нагрузки, создаваемой на разрывной машине до момента разрушения образца. Разрушение является не спонтанным явлением, а процессом, начинающимся с разрыва одиночной молекулы, перенапряжения соседних, возникновения трещины и ее роста, непрерывно идущим во времени и зависящем от многих факторов и, прежде всего, от структуры материала, температуры и других факторов.

Ряд далее перечисляемых характеристик связан с разрывной нагрузкой. В их числе — напряжение σР. Его непосредственный расчет делением усилия РР на площадь поперечного сечения S, определяемого для волокон и нитей по наружным контурам, неудобен, так как сечение по площади резко колеблется вдоль их длины и имеет непрерывно меняющиеся сложные геометрические формы и различное заполнение сечения материалом. Поэтому его определяют косвенным путем через массу и длину или среднюю плотность. В оставшейся части таблицы рассмотрены характеристики, связанные с деформациями волокнистых наполнителей.

Механические свойства нитевидных наполнителей зависят от многих факторов, влияние некоторых из них рассмотрено ниже.

Температура и влажность оказывают существенное влияние на полуцикловые характеристики, полученные при растяжении волокон и нитей. Снижение температуры, приводящее к замедлению тепловых колебаний молекул, затрудняет нарушение межмолекулярных связей, делает волокна и нити более прочными и менее деформируемыми. При росте температуры наблюдается обратная зависимость. Сильное снижение прочности и рост деформации при нагреве характерны для тех видов синтетических волокон и нитей, у которых воздействие температуры связано с переходом волокнообразующего полимера в вязкотекучее состояние или с явлениями рекристаллизации для кристаллических полимеров. К числу подобных волокон относят полиолефиновые, хлорсодержащие поливиниловые, полиамидные и др.

Изменение влажности резко действует на механические свойства тех волокон, которые могут поглощать ее в значительном количестве. Молекулы воды, замещая межмолекулярные связи макромолекул, ослабляют их взаимодействие. С повышением влажности волокон и нитей у большинства из них наблюдается снижение прочности и рост деформации. Исключение составляют растительные волокна (хлопковое, льняное и др.) и пряжа из них; их прочность с увлажнением растет, что связано со структурными особенностями. Макромолекулы целлюлозы расположены под углом к оси волокон, при растяжении во влажном состоянии макромолекулы легче ориентируются вдоль оси волокна по направлению действия растягивающей силы, что и приводит к повышению разрывной нагрузки.

Поскольку температура и влажность влияют на механические свойства волокон и нитей, весьма существенно при испытаниях тщательно соблюдают нормы, установленные для этих факторов. Стандартными условиями окружающей среды при испытании текстильных материалов считают температуру воздуха 20 °С и его относительную влажность 65%.

Скорость, с которой осуществляют растяжение волокон и нитей, также влияет на результаты испытаний, что объясняется особенностями деформирования полимерных материалов. В зависимости от скорости растяжения меняется время, в течение которого осуществляется деформация. При большой скорости время деформирования мало. Вследствие этого не успевают нарушиться многие межмолекулярные связи, прорасти трещины, развиться эластическая и пластическая деформации. При малой скорости получается обратная картина, поэтому с ростом скорости растяжения разрывная нагрузка увеличивается, а полное разрывное удлинение уменьшается.

Влияние длины испытываемого отрезка (так называемой зажимной длины) на показатели механических характеристик определяется двумя факторами. Первым из них является скорость растяжения. Если, например, определяются разрывные характеристики и тиски (захваты) разрывной машины перемещаются с постоянной скоростью, а длина испытуемого отрезка берется различной, то более длинный отрезок будет доведен до разрушения за больший промежуток времени и в результате, как следует из описанного выше влияния скорости, его прочность окажется ниже, а удлинение — больше, чем у более короткого отрезка.

Вторым фактором является наличие на нити большого количества дефектов. Чем длиннее испытуемый отрезок нити, тем больше на нем слабых мест, вследствие этого при увеличении зажимной длины существенно уменьшаются разрывные характеристики [3, 4].

Непрерывные волокнистые наполнители при условиях эксплуатации их в изделиях из ВКМ подвергаются деформации растяжения вдоль оси, поэтому основное внимание уделяют характеристикам механических свойств при растяжении.

Полуцикловые разрывные характеристики волокон и нитей считают основными при конструировании ВКМ и изделий из них, т. к. нормы на эти показатели вошли в стандарты. К числу основных полуцикловых разрывных характеристик относят:

1. Разрывная нагрузка РР — это наибольшая нагрузка (усилие), которую выдерживают волокна и нити к моменту своего разрыва. Разрывную нагрузку, Н, определяют как разрывом одиночных волокон и нитей, так и разрывом пучка (штапелька) волокон и пасм (мотков) нитей различной длины. Разрывную нагрузку, приходящуюся на одно волокно, Н, при разрыве штапелька, находят по формуле:

(18)

где Qp — разрывная нагрузка штапелька с числом волокон n, Н; n1 — число волокон в 1 мг; m — масса штапелька, мг; ri — коэффициент неодновременности разрыва (ri=0,675…0,85).

При испытании пасм разрывную нагрузку на одно волокно определяют по формуле:

(19)

где Qp — разрывная нагрузка пасмы, Н; 2n — удвоенное число нитей в пасме; r2 — коэффициент неодновременности разрыва (r2=0,77…0,85).

2. Разрывное напряжение sР (предел прочности, временное сопротивление) характеризует разрывную нагрузку, приходящуюся на единицу площади волокна или нити:

(20)

где РР — разрывная нагрузка волокна нити, сН; F — площадь поперечного сечения волокна или нити, мм2.

3. Относительная разрывная нагрузка волокон и нитей Р0 (сН/текс) характеризует разрывную нагрузку, приходящуюся на единицу линейной плотности, а ее физическая сущность заключается в той длине пробы, которая разрывается под действием собственной массы:

(21)

где Т — линейная плотность, текс.

4. Абсолютное и относительное разрывное удлинение.Абсолютное разрывное удлинение, lР, мм — это приращение длины волокна или нити к моменту разрыва:

(22)

где L1 — длина волокна к моменту разрыва, мм; L0 — начальная длина (зажимная) волокна, мм.

Относительное разрывное удлинение, eР, % — это абсолютное разрывное удлинение, выраженное в процентах от начальной (зажимной) длины:

(23)

5. Абсолютная и относительная работа разрыва. Абсолютная работа разрыва — это работа, совершаемая внешней силой при растяжении пробы. Работа показывает затраченное количество энергии для преодоления энергии связи между частицами структуры пробы при ее разрушении. Для определения работы разрыва (абсолютной) на разрывной машине записывают диаграмму растяжения изображенную на рис. 9.

Работа разрыва равна площади участка АВС, ограниченного кривой растяжения и осью абсцисс:

(24)

(26)

Обычно η определяют как отношение площадей рабочего участка АВС диаграммы растяжения к условному участку АДВС. Чем выше значение η, тем большую работу совершает растягиваемое волокно или нить, т.е тем лучше оно сопротивляется разрыву

Относительную работу разрыва (Дж) определяют как отношение абсолютной работы разрыва к массе пробы m:

(27)

Особенности релаксационных свойств волокнистых наполнителей непрерывной длины при растяжении описывают одноцикловыми характеристиками. Эти показатели получают при приложении к наполнителям в течение определенного времени нагрузок, значительно меньших разрывных значений с последующей разгрузкой и длительным отдыхом. К этим характеристикам относят: полную деформацию en и ее составные части, выраженные в процентах:

(28)

где eб, eм и e0 — составные части полной деформации пробы, %: быстрообратимая (упругая), медленнообратимая (эластическая), остаточная (пластическая).

Упругая деформация проявляется в текстильном материале практически мгновенно и является следствием небольшого распрямления макромолекул за счет увеличения межатомных расстояний.

Эластическая деформация обусловлена свободой перемещения сегментов в цепи макромолекул. Под действием внешних сил происходит изменение формы, распрямление макромолекул, обратимое перемещение участков цепей и макромолекул друг относительно друга.

Пластическая деформация является следствием необратимого смещения макромолекул друг относительно друга на довольно большие расстояния под действием внешней силы.

Характер изменения деформации во времени (под нагрузкой в течение времени Т1 и после разгрузки при отдыхе в течение Т2) показан на рис. 10.

Зная начальную длину пробы L0 (мм), длину к концу нагружения L1, сразу после разгрузки L2 и после длительного отдыха L3, можно определить значение составных частей деформации, %:

Одноцикловые характеристики определяют на специальных приборах, называемых релаксометрами.

Многоцикловые характеристики механических свойств волокон и нитей получают при приложении к ним многократно повторяющихся нагрузок или деформаций, меньших, чем разрывные. К многоцикловым механическим свойствам относят:

— выносливость nР, определяемую числом циклов многократного растяжения, выдерживаемых материалом до разрыва;

— долговечность tР — время от начала приложения нагрузки до разрыва материала при заданной частоте циклов многократного растяжения;

— остаточная циклическая деформация eо.ц. — деформация, накопившаяся в материале за время многократного растяжения;

— предел выносливости eв — это наибольшее значение заданной циклической деформации, при которой материал выдерживает до своего разрушения огромное число циклов растяжения (порядка 104-105 циклов).

Для определения механических свойств волокнистых наполнителей при многократном растяжении используют приборы, называемые пульсаторами. (нет ссылки на табл.1)

Таблица 1

Полуцикловые характеристики некоторых волокон и нитей при растяжении до разрыва

Окончание табл. 1

Источник