Интенсификация процесса термообработки химических высокоусадочных нитей

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ

ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МАШИНОСТРОЕНИЯ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ ХИМИЧЕСКИХ ВЫСОКОУСАДОЧНЫХ НИТЕЙ

A.Н. Бизюк, C.B. Жерносек, H.H. Ясинская, УДК 677.494.675.022.78

B.И. Ольшанский, А.Г. Коган

РЕФЕРАТ

ТЕКСТИЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ВЫСОКООБЪЕМНАЯ ПРЯЖА, ХИМИЧЕСКИЕ ВЫСОКОУСАДОЧНЫЕ НИТИ, ТЕРМООБРАБОТКА, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ СВЧ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, УСАДКА

Объектом исследований является процесс повышения объемности химических высокоусадочных нитей в условиях воздействия электромагнитных волн СВЧ-диапазона.

Цель работы - разработка энергоэффективной технологии повышения объемности текстильных материалов из натуральных и химических волокон с использованием электромагнитных волн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.

В результате экспериментальных и теоретических исследований процесса термообработки текстильных материалов из натуральных и химических волокон в условиях СВЧ-нагрева разработана методика проведения исследований технологического процесса повышения в условиях воздействия электромагнитных волн СВЧ диапазона, получены математические модели зависимости усадки комбинированных высокоусадочных нитей от основных параметров СВЧ обработки, позволяющие рассчитывать рациональные режимы процесса повышения объемности текстильных материалов, проведена оптимизация основных параметров процесса отделки.

ABSTRACT

TEXTILE FABRICS, YARN HIGH VOLUME, CHEMICAL HIGH SHRINKAGE YARN, HEAT TREATMENT, MICROWAVE ELECTROMAGNETIC WAVES, PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES, SHRINKAGE

The research object is the process of the volume improving of high shrinkage chemical threads under the influence of electromagnetic waves in the microwave range.

The work purpose is development of energy efficient technologies to increase the volume of textile materials made of natural and chemical fibers with using of electromagnetic waves of microwave (UHF) range.

As a result of experimental and theoretical studies of the process of heat treatment of textile materials made of natural and chemical fibers under conditions of microwave heating the authors have developed a technique for researching the technological process of volume improving under the influence of electromagnetic waves in the microwave range. The authors have obtained a mathematical model of the dependency of shrinkage combined high shrinkage threads on the main parameters of microwave processing to calculate a rational modes of the process of improving the volume of textile materials. The authors have conducted the optimization of the main parameters

of the finishing process.

_/

ВВЕДЕНИЕ

Принцип изготовления текстильных материалов, обладающих специфическими свойствами (высокой усадкой и повышенной объемностью), основан на смешивании высокоусадочных (с усадкой 20-60 %) и низкоусадочных волокон

и нитей. В результате производится текстильный материал, обладающий способностью увеличивать свой объем в результате термовлаж-ностной обработки в свободном (ненатянутом) состоянии. При этом высокоусадочный компонент укорачивается (усаживается), принимая

более определенную ориентацию по оси материала. Низкоусадочный компонент обвивается вокруг высокоусадочного, принимая менее ориентированное положение в том же направлении. Это придает материалу большую пушистость, значительно уменьшает объемную массу и увеличивает поперечные размеры.

При производстве высокообъемных текстильных материалов из натуральных и химических волокон основным процессом является процесс релаксации высокоусадочного компонента и повышение их объемности путем обработки в среде горячего воздуха или пара.

Одним из способов повышения качества и интенсификации процессов повышения объемности текстильных материалов является использование электромагнитных волн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Преимущество СВЧ-нагрева по сравнению с конвективным способом подвода тепла обусловлено возможностью равномерного и быстрого нагрева текстильных материалов как малой, так и большой поверхностной плотности [1].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Целью работы является определение параметров процесса повышения объёмности текстильных материалов с использованием электромагнитных волн СВЧ-диапазона, обеспечивающих снижение энергоёмкости базовых процессов.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В данной работе в качестве высокоусадоч-

ного компонента использовалась полиэфирная комплексная нить линейной плотности 16.8 текс, полученная на Светлогорском ПО «Химволокно» способом физической модификации. В качестве низкоусадочного компонента использовалось хлопковое волокно.

Получение комбинированной высокоусадочной нити линейной плотности 40 текс осуществлялось на прядильно-крутильной машине ПК-100. Физико-механические показатели комбинированной высокоусадочной нити представлены в таблице 1.

Методика проведения исследований процесса повышения объемности текстильных материалов с использованием электромагнитных волн СВЧ состояла из следующих этапов:

• подготовка образцов комбинированных высокоусадочных нитей.

• увлажнение комбинированных высокоусадочных нитей.

• отжим до остаточного влагосодержания 100-200 %.

• установка стационарного теплового режима при заданной мощности 100, 300, 600 или 850 Вт.

• определение абсолютной линейной усадки образцов и её пересчет в относительную.

Влагосодержание образцов комбинированных высокоусадочных нитей определялось весовым способом. Временные интервалы задавались с помощью их установки на СВЧ-камере.

Для исследования процесса усадки в условиях СВЧ-воздействия проведен эксперимент, результаты которого представлены в таблице 2.

Таблица 1 - Физико-механические показатели комбинированной высокоусадочной нити

Показатель Значение показателя

Состав: полиэфирная высокоусадочная нить -40 % ; хлопковое волокно - 60 %

Линейная плотность комбинированной нити, текс 40.35

Разрывная нагрузка,сН 763.45

Коэффициент вариации по разрывной нагрузке, % 4.39

Разрывное удлинение, % 22.30

Крутка, кр/м 528.7

Коэффициент вариации по крутке, % 1.30

Усадка, % 35.98

Диаметр нити после термообработки, мм 0.780

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам экспериментов методом наименьших квадратов была получена регрессионная модель зависимости усадки высокоусадочной нити от начальной влажности, мощности СВЧ-излучения и времени обработки [2]:

где в - относительная усадка, %; т - время термообработки, с; Р - мощность излучения, Вт; ^ - относительная влажность образцов до термообработки, %.

На рисунке 1 изображены зависимости усадки высокоусадочной нити от режимов процесса термообработки при воздействии СВЧ-излуче-ния при различной начальной влажности.

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что при одинаковых значениях режимных параметров процесса термообработки увеличение начальной влажности образцов приводит к повышению усадки.

Для мощности СВЧ-излучения 450 Вт зависимости усадки от времени обработки при различной начальной влажности представлены на рисунке 2.

На рисунке 3 изображены зависимости усадки высокоусадочной нити от режимов процесса термообработки при воздействии СВЧ-излуче-ния при различной мощности СВЧ-излучения.

Установлено, что при одинаковых значениях начальной влажности и времени обработки увеличение мощности СВЧ-излучения приводит к повышению усадки. Для начальной влажности 150 % зависимости усадки от времени обработки при различной мощности СВЧ-излучения представлены на рисунке 4.

Анализ зависимостей показал, что одинаковых значений усадки при одном и том же времени обработки можно достичь различными комбинациями начальной влажности и мощности СВЧ-излучения. На рисунке 5 продемонстрировано совпадение графиков усадки образцов при двух комбинациях начальной влажности

Таблица 2 - Экспериментальные данные по определению усадки

Влажность, % Мощность, Вт Время, с Усадка, %

127,44 450 60 5,78

207,10 450 60 13,92

156,99 450 90 7,94

176,13 450 90 11,31

158,27 450 120 12,60

188,52 450 120 15,84

180,57 650 60 12,00

166,91 650 60 11,67

163,78 650 90 13,10

189,27 650 90 17,37

167,00 650 120 17,13

191,69 650 120 18,13

171,73 850 60 10,38

188,87 850 60 18,10

173,72 850 90 19,76

206,46 850 90 20,77

146,55 850 120 19,20

204,13 850 120 21,88

мощность, Вт о

о

- 100 гоо зоо 400 5оо « время, с

Рисунок 1 - Зависимость усадки от режимов термообработки при начальной влажности: 1 - 100 %, 2 - 150 %, 3 - 200 %

os

2D0 300 время, с

— влажность 100 % — влажность 150 % ....... влажность 200 %

Рисунок 2 - Влияние начальной влажности образцов на величину усадки при мощности СВЧ 450 Вт: 1 - 100 %, 2 - 150 %, 3 - 200 %

и мощности СВЧ-излучения: 300 Вт, 200 % и 850 Вт, 100 %.

При решении однокритериальной задачи оптимизации находится оптимальное значение одного результирующего показателя. Но в рассматриваемой задаче нужно найти такие параметры процесса, при которых оптимальными являются несколько результирующих показателей: расход энергии и относительная усадка высокоусадочной нити. Для решения этой оптимизационной задачи можно ввести обобщенную функцию желательности, которая учитывает значения всех результирующих показателей [2, 3]:

влажность, %

Рисунок 3 - Зависимость усадки от начальной влажности и времени обработки при различной мощности СВЧ: 1 - 450 Вт, 2 - 650 Вт, 3 - 850 Вт

где dl - частные функции желательности (I е [1...к]), к - количество частных функций желательности.

Частные функции желательности dl определяются путем нормализации результирующих функций У. таким образом, чтобы значения dl лежали в пределах от 0 до 1, так как результирующие показатели могут иметь различные едини-

204 J3i 400 время, с

— мощность 450 Вт — можность 650 Вт ....... мощность 850 Вт

Рисунок 4 - Влияние мощности СВЧ излучения на величину усадки при начальной влажности 150 %: 1 - 450 Вт, 2 - 650 Вт, 3 - 850 Вт

цы измерений и диапазоны значений. При этом значению 0 соответствуют наименее, а 1 - наиболее желательные значения функций У. [3, 4]:

где dl - частные функции желательности; У. - результирующие функции; а. ,Ъ. - границы интервала желательности; в. - коэффициенты, задающие кривизну линии, соединяющей наиболее и наименее желательные значения на графике функции.

Оптимальными значениями входных параметров будут те значения, при которых достигается максимальное значение обобщенной функции желательности. В качестве нормализующих

— мощность 300 Вт, влажность 200 % _ мощность 850 Вт, влажность 100 %

Рисунок 5 - Совмещение графиков усадки образцов при двух комбинациях начальной влажности и мощности СВЧ-излучения

функций выбраны функции желательности Дер-ринжера, которые находятся по формулам (3 - 4). Графики данных функций представлены на рисунке 6 [1, 3, 5].

При построении функций желательности di используются значения границ интервала желательности а. и Ъ. , результирующего показателя, которые определяются с помощью экспертных оценок [2, 3]. Формула (3) используется в случаях, когда для результирующего показателя наиболее желательными являются максимальные значения (рисунок 6 а). При оптимизации процесса термообработки высокоусадочной нити таким показателем является усадка в. В качестве нижней границы диапазона желательности взято значение в = 0, а в качестве верхней границы - в = 30 %. Для получения частной функции желательности для усадки была использована формула (1).

Формулу (4) целесообразно применять, когда для результирующего показателя наиболее желательными являются минимальные значения (рисунок 6 б). При решении задачи оптимизации процесса термообработки высокоусадочной нити в условиях воздействия электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона таким показателем является расход энергии Е. В качестве нижней границы диапазона желательности взято значение Е = 0, а в качестве верхней границы - Е = 23,6 Вт • ч. Для получения частной функции желательности для затрат энергии была использована формула [1, 3]

У

Полученные частные функции желательности для усадки d1 и энергозатрат d2 были использованы для получения обобщенной функции желательности Б по формуле (2).

На рисунке 7 представлены графики обобщенной функции желательности для трех значений начальной влажности.

Полученная обобщенная функция желательности позволяет для выбранной мощности излучения определить оптимальное время воздействия и наоборот. В результате исследований была получена функция для определения оптимальных комбинаций мощности и времени воз-

/ / !

/ У

/ /

1 /

=0 2

Рисунок 6 - График функций желательности: а - для формулы

действия для различной начальной влажности, представленная формулой

График функции (6) представлен на рисунке 8.

Получены зависимости для определения энергозатрат, необходимых для достижения заданной усадки, графики которых представлены на рисунке 9.

Разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитать оптимальные комбинации мощности СВЧ, времени воздействия и начальной влажности высокоусадочной нити для

достижения заданной величины усадки. С использованием этого программного обеспечения был получен набор рекомендуемых параметров процесса термообработки комбинированных высокоусадочных нитей, представленный в таблице 3.

ВЫВОДЫ

1. С использованием разработанной методики проведения исследований процесса повышения объемности текстильных материалов получена математическая модель зависимости усадки химической высокоусадочной нити от начальной влажности, мощности СВЧ-излучения и времени обработки, позволяющая определять рациональные параметры технологического

мощность, Вт

3_ 2 1

щ И ¿0 ™

время, с

Рисунок 7 - Графики обобщенной функции желательности для влажности: 1 - 100 %, 2 - 150 %, 3 - 200 %

мощность, Вт

Рисунок 8 - График оптимальных комбинаций режимных параметров процесса термообработки высокоусадочной нити

процесса повышения объемности текстильных материалов.

2. Для комбинированной высокоусадочной нити линейной плотности 30 текс получен набор рекомендуемых параметров процесса термообработки (влажность, мощность излучения, продолжительность воздействия) в условиях СВЧ-нагрева для достижения заданной усадки.

Таблица 3 - Рекомендуемые параметры процесса термообработки комбинированных высокоусадочных нитей в условиях СВЧ-воздействия

Усадка, % Влажность, % Мощность, Вт Время, с

5 100 542 43

5 150 405 32

5 200 333 27

10 100 964 77

10 150 675 54

10 200 538 43

15 100 1469 117

15 150 959 77

15 200 741 59

20 100 2139 170

20 150 1280 102

20 200 954 76

25 100 3101 247

25 150 1658 132

25 200 1188 95

30 100 4653 370

30 150 2121 169

30 200 1451 116

35 100 7592 605

35 150 2709 216

35 200 1753 140

усадка, %

....... мощность 850 Вт, влажность 150 %

— мощность 650 Вт, влажность 150 % _ мощность 450 Вт, влажность 150 %

Рисунок 9 - Графики зависимостей энергозатрат от достигаемойусадки при начальной влажности 150 % и мощности СВЧ: 1 - 450 Вт, 2 - 650 Вт, 3 - 850 Вт

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

REFERENCES

1. Бизюк, А.Н., Жерносек, С.В., Ольшанский, В.И., Ясинская, Н.Н. (2014), Исследование пропитки текстильных материалов в поле СВЧ-излуче-ния, Вестник Витебского государственного технологического университета», 2014, Вып. 26, С. 21-28.

2. Бизюк, А.Н., Жерносек, С.В., Ольшанский, В.И., Ясинская, Н.Н. (2014), Моделирование процесса пропитки текстильных материалов под действием СВЧ-излучения, Известия вузов. Технология легкой промышленности, № 1, Санкт-Петербург, 2014, С.16-18.

3. Derringer, G., Suich, D. (1980), Simultaneous optimization of several response variables, Journal of Quality Technology, 12 (4), 1980, pp. 214-219.

4. Harrington, J. The desirability function, Industrial Quality Control, 21 (10), 1965, pp. 494-498.

5. Севостьянов, А.Г., (1980), Методы и средства исследования механико-технологических процессов текстильной промышленности, Москва, 392 с.

1. Biziuk, A.N., Zhernosek, S.V., OL'shanskii, V.I., Yasinskaya, N.N. (2014), Study of impregnation of textile materials in the fi eLd of microwave radiation [IssLedovanie propitki tekstiL'nyh materiaLov v poLe SVCh izLuchenija], Vestnik Vitebskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta - Bulletin of Vitebsk State Technological University, Issue 26, Vitebsk, 2014, pp. 21-28.

2. Biziuk, A.N., Zhernosek, S.V., OL'shanskii, V.I., Yasinskaya, N.N. (2014), ModeLing of impregnation of textiLe materiaLs under the influence of microwave radiation [ModeLirovanie processa propitki tekstiL'nyh materiaLov pod dejstviem SVCh izLuchenija], Izvestija vuzov. Tehnologija legkoj promyshlennosti - The News of higher educational institutions. Technology of Light Industry, № 1, Saint-Petersburg, 2014, pp.16-18.

3. Derringer, G., Suich, D. (1980), SimuLtaneous optimization of severaL response variabLes, JournaL of OuaLity TechnoLogy, 12 (4), 1980, pp. 214-219.

4. Harrington, J. The desirabiLity function, Industrial OuaLity ControL, 21 (10), 1965, pp. 494-498.

5. Sevost'janov, A.G. (1980), Metody i sredstva issLedovanija mehaniko-tehnoLogicheskih processov tekstiL'noj promyshLennosti [Methods and tooLs to study mechanicaL-technoLogicaL processes of the textiLe industry], Moscow, 1980, 392 p.

J

Статья поступила в редакцию 30.10. 2014 г.

С

16