Исследование деформации сдвига текстильных материалов

Т.В. ЧАДОВА, Л.А. СЕРЕБРЯКОВА

Исследование деформации сдвига текстильных материалов

Рассматривается метод исследования деформации сдвига текстильных материалов на примере иглопробивных нетканых материалов. Предлагаются некоторые изменения в методике исследования деформации сдвига, что позволит избежать значительных затрат времени и средств при исследовании механических свойств текстильных материалов.

Поведение текстильных материалов при деформации сдвига изучается сравнительно недавно, и в литературе мало сведений по данному вопросу. В нашей стране сообщений об исследованиях деформации сдвига текстильных материалов практически нет. Это отчасти объясняется тем, что наблюдения за деформацией сдвига довольно сложны [1, 6]. За рубежом подобными исследованиями занимались главным образом английские и шведские ученые. Они растягивали образцы ткани, вырезанные под определенными углами, для определения силы сдвига и других его характеристик, по которым можно судить о потребительских свойствах ткани [9-13].

Изучение деформации, происходящей в текстильных материалах при растяжении, необходимо для прогнозирования поведения этих материалов в различных условиях эксплуатации. Сопротивление материала сдвигу - показатель стабильности изделия. Поэтому очень важно выявление такой механической характеристики, как модуль сдвига. Этот показатель позволяет прогнозировать качество материала, его формоустой-чивость, эластичность [4, 5].

Сдвигом называется такой вид плоского напряженного состояния, когда все плоские слои тела, параллельные плоскости сдвига, не искривляясь и не изменяя размеров, перемещаются параллельно друг другу [3].

Для нетканых материалов перемещение составляющих их элементов при удлинении приводит к структурным изменениям, аналогичным тем, которые возникают при разрывном удлинении. Однако при сдвиге механические напряжения по структурным элементам материала распределяются иначе, чем при осевом растяжении. Образец материала испытывает одновременно растяжение и сжатие. Эти напряжения - сжимающие и растягивающие - равны между собой и противоположны по знаку, а также численно равны экстремальным касательным напряжениям (т=с) [2, 8].

Показателем деформации является угол сдвига 0 (рис. 1), который при малых деформациях прямо пропорционален касательным напряжениям т. Эта зависимость описывается законом Гука при сдвиге и выражается в виде

0 = т / ^

где G - модуль сдвига (упругая постоянная материала, характеризующая его жесткость при деформации сдвига).

При малых деформациях угол сдвига определяется по формуле

0 = ^ = ЛS / а ,

где ЛS - абсолютная величина деформации сдвига; а - ширина испытываемого образца.

Т

Рис. 1. Схема элемента материала, находящегося в условиях сдвига (размеры в мм): а1 - длина и ширина образца; 10 - начальная длина диагонали; 11 -длина диагонали после нагружения; Л1=11-10 - величина изменения диагонали; ЛS - абсолютная величина деформации сдвига

Деформацию сдвига какого-либо геометрического тела рассматриваем как удлинение по одной диагонали и укорачивание по другой (рис. 1). Удлинение Д1 диагонали I зависит от модуля сдвига G, который является физической постоянной материала и характеризует его жесткость (способность сопротивляться упругим деформациям). С другой стороны, диагональ I растягивается напряжением Ст], а диагональ 12 сжимается в поперечном направлении напряжением с2. В этом случае удлинение определяется модулем упругости Е. Таким образом, модули сдвига G и продольной упругости Е являются зависимыми друг от друга величинами и примерно пропорциональны. Согласно закону Гука, выведенному для сплошных тел, зависимость между этими модулями имеет линейный характер:

2С

где Е - модуль продольной упругости; G - модуль сдвига; ц - коэффициент Пуассона.

Модуль упругости Е для случая сдвига можно представить в виде

Е=1[т+цт],

8

где Е - модуль продольной упругости, МПс; т - касательное напряжение, МПс; ц - коэффициент Пуассона; в - деформация, мм.

Описанные выше зависимости широко используются для сплошных упругих тел, но поскольку иглопробивные нетканые материалы являются вязкоупругими, имеют анизотропную структуру, то модуль упругости в данном случае принимаем условной величиной.

Важной упругой механической характеристикой наряду с модулями упругости и сдвига является коэффициент Пуассона ц, который позволяет прогнозировать растяжение материала, а также изменение его толщины при растяжении [7].

На основании зависимости (3) можно рассчитать коэффициент Пуассона ц:

Е - 2G ...

Для изучения деформации сдвига используют метод Л.Трелора. Он прост в применении и имеет ряд преимуществ, которые позволяют использовать образцы двух форм (квадратной и прямоугольной). С целью упрощения исследования нами была усовершенствована установка для проведения опытов по исследованию деформации сдвига (рис. 2).

Рис. 2. Схема установки для реализации сдвига: 1 - силовая рама; 2 - образец; 3 - зажимы; 4 - ось для свободного крепления верхнего зажима; 5 - гибкие нити; 6 - грузы; 7 - блоки; W - начальное натяжение; F - сила сдвига

Деформацию сдвига исследовали на примере трех экспериментальных вариантов нетканых материалов различного волокнистого состава, выработанных иглопробивным способом из вторичного сырья: 1-й вариант - однородный материал, выработанный из капрона, 2-й и 3-й варианты - двух- и трехкомпонентные нетканые материалы, выработанные из хлопка-капрона и хлопка-капрона-шерсти, соответственно. Состав волокнистого сырья представлен в табл. 1.

Как правило, при исследовании деформации сдвига определяют деформацию узких полосок, но она отличается от аналогичной реальной деформации в текстильных изделиях, и ее трудно связать со сминаемо-стью и формоустойчивостью. По этим соображениям для исследования использовались образцы квадратной формы размером 500x500 мм, которые заправлялись между двумя параллельными зажимами, верхний из которых неподвижен, а нижний под действием собственного веса и прикрепленного груза натягивает образец. Усилие сдвига передается образцу при помощи грузов, которые подвешены на гибких нитях через блоки.

Таблица 1

Состав смесок для выработки экспериментальных иглопробивных нетканых материалов

Вариант материала Наименование компонентов волокнистой смески, %

Полиамид (капрон) Хлопок Шерсть восстановленная

1 100 - -

2 50 50 -

3 40 30 30

На величину угла сдвига 0, как мы считаем, в данном случае влияет не только сила сдвига F, но и горизонтальная составляющая от начального натяжения, которое необходимо для того, чтобы образец при деформировании не изгибался. Эта величина соответствует предварительной нагрузке образца, а также усилию растяжения, действующему на образец наряду с усилием сдвига во время всего цикла испытания.

При носке текстильных изделий материал подвергается небольшим усилиям растяжения, т.е. небольшим по своей величине напряжениям. Исходя из этого для приближения условий эксперимента к реальным условиям эксплуатации текстильного изделия нами были выбраны сравнительно небольшие величины силы сдвига.

Для выявления величины погрешности образец нетканого материала разбивали на несколько участков и определяли характер деформации. На рабочую площадь образцов, подвергаемых сдвигу, было нанесено по три квадрата (рис. 3, а), каждому из которых соответствовало по две диагонали (рис. 3, б): диагональ растяжения и сжатия (Ь-44; 22-55; З3-6б, соответственно).

1

г

з1

а б

Рис. 3. Рабочая площадь образцов исследуемых иглопробивных нетканых материалов, подвергаемых сдвигу

Удлинение диагонали Д1 (рис. 1) вследствие деформации сдвига записывается в виде

Д1 = ДS Cos 450 = 7272

Так как

a = I Cos 450 =

и если 0 = т/G, то

Д1 = х

По представленным выше отношениям (1)-(8) устанавливались механические постоянные материала при деформации сдвига - величины условного модуля упругости, модуля сдвига, коэффициента Пуассона при следующих уровнях напряжений: с = 0,146; 0,198; 0,256 МПа. Для оценки сдвига нетканых материалов определяли такие параметры, как деформацию сдвига sG, угол сдвига 0, абсолютную величину сдвига ДS, удлинение диагонали Д1. Определялись упругие характеристики для всех трех диагоналей растяжения и сжатия (1Ь 22, 33 и 44, 55, 66).

По полученным в ходе исследования результатам строились кривые растяжения иглопробивных нетканых материалов при сдвиге (рис. 4, а-в).

Из диаграмм растяжения при исследовании деформации сдвига видно, что форма кривых растяжения имеет «S-образный» характер. Такой характер растяжения объясняется тем, что на первом этапе растяжения происходит обычная ориентация волокнистой структуры, а затем наблюдается текучесть, что свидетельствует о нарушении структуры и создании новой.

При снятии нагрузки (разгрузка) наблюдается несколько большее удлинение нетканого материала, чем при нагружении и при одноцикло-вом растяжении. Так как упругое восстановление волокнистых материалов связано с величиной обратимого удлинения, т.е. чем больше обратимое удлинение (чем быстрее происходит релаксация макромолекул после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию волокнистой структуры), тем меньше величина остаточного удлинения, и тем выше доля упругой деформации, - следовательно, при сложном деформировании растяжения и сжатия в нетканых материалах присутствует доля упругой деформации.

Величиной наибольшего растяжения при деформации сдвига обладает иглопробивной нетканый материал, выработанный из хлопка-капрона, что объясняется большим содержанием в нем волокон хлопка, которые уступают по прочностным свойствам волокнам капрона и шерсти. Наименьшей величиной растяжения обладает иглопробивной нетканый материал, выработанный из 100%-го капрона. Исследования показали, что в поперечном направлении деформация исследуемых иглопробивных нетканых материалов меньше, чем в продольном, что объясняется структурой нетканых материалов (ориентация волокон при их производстве происходит в поперечном направлении).

После снятия нагрузки возвращение структуры нетканого материала к исходному состоянию задерживается вследствие развившихся релаксационных процессов. Доля остаточной деформации составляет 714%.

Продольное направление

Поперечное направление

33456789 £,%

2 3 4 5 6 7 8 9 £,%

Рис. 4. Диаграмма растяжения иглопробивного нетканого материала при сдвиге: а - 100%-й капрон, б - хлопок-капрон, в - хлопок-капрон-шерсть; м -малый, ср. - средний, б - большой квадраты

Из характера кривых растяжения при сдвиге видно, что деформация в образце развивается неодинаково. Наибольшее ее значение наблюдается у большого квадрата (диагональ 11), а наименьшее - у малого (диагональ 33). Это, скорее всего, объясняется удаленностью малого квадрата от усилия сдвига и малым влиянием граничных условий. На среднем участке (малый квадрат) деформация носит довольно однородный характер. Значения модуля упругости Е при деформации сдвига находятся в пределах 7-18 МПа. Модуль сдвига G и модуль упругости Е,

а

б

в

как было сказано выше, примерно пропорциональны. Согласно закону Гука, выведенному для сплошных тел, зависимость между этими модулями имеет линейный характер. Чем больше модуль упругости Е, тем выше модуль сдвига G; динамика их изменения одинакова. Для малых квадратов значения этих двух модулей (Е и G) более высокие. Это говорит о том, что нетканый материал в этой части образца обладает наиболее упругими свойствами. С ростом уровня напряжения модуль упругости Е и модуль сдвига G некоторое время остаются постоянными, а затем постепенно уменьшаются. Наибольшая величина модуля упругости Е и модуля сдвига G наблюдается у трехкомпонентного иглопробивного нетканого материала, выработанного из хлопка-капрона-шерсти, наименьшая - у однокомпонентного иглопробивного нетканого материала, выработанного из 100%-го капрона

Коэффициент Пуассона иглопробивных нетканых материалов при деформации сдвига находится в пределах 0,09-0,1. Таким образом, можно сделать вывод, что изменение объема тела нетканого материала (т.е. его объемная деформация) равно нулю.

Поскольку каждому квадрату соответствуют две диагонали - диагональ сжатия и диагональ растяжения (рис. 3), то и упругие характеристики устанавливались как для случая растяжения, так и для случая сжатия. Данные характеристики в работе не приводятся, т.к. полученные значения модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона для диагоналей сжатия практически равны этим же величинам для диагоналей растяжения (±1,3%). Это говорит о том, что при сжатии нетканый материал выдерживает такие же напряжения, что и при растяжении (с=т).

Зависимость между модулем упругости Е, характеризующим жесткость материала, и модулем сдвига, как было отмечено выше, имеет линейный характер. Для нетканых материалов, имеющих кроме упругого эластический компонент деформации, понятие жесткости условно. Жесткость при изгибе текстильных изделий является важной характеристикой, т.к. определяет поведение изделий при их дальнейшей обработке и эксплуатации.

При исследовании жесткости нетканых материалов обычно определяют жесткость при изгибе, т.к. в процессе эксплуатации они под действием собственной массы дают большие прогибы.

Исходя из вышеизложенного для изучения вероятностной зависимости между модулем сдвига и жесткостью использовался корреляционный метод. Связь между модулями жесткости и сдвига исследуемых нетканых материалов определяли, используя коэффициент корреляции къу (табл. 2).

Таблица 2

Корреляция модуля сдвига с жесткостью при изгибе

Вариант материала Коэффициент корреляции, к7,у

продольный поперечный

1 0,74 0,98

2 0,54 0,71

3 0,67 0,75

В результате корреляционного анализа установлено наличие тесной линейной связи между модулями жесткости при изгибе и сдвиге ис-

следуемых иглопробивных нетканых материалов. Наиболее высокая корреляционная связь наблюдается у иглопробивного нетканого материала, выработанного из 100%-го капрона, наименьшая - у хлопка-капрона.

Предлагаемый метод исследования деформации сдвига универсален. Он позволяет при одном исследовании установить несколько важных упругих характеристик материала: деформацию растяжения, сжатия, сдвига; модули упругости и сдвига; коэффициент Пуассона. Такой подход дает возможность косвенно оценить жесткость материала, а также избежать значительных затрат времени и средств при исследовании.

Все вышеназванные показатели позволяют охарактеризовать поведение материала при его эксплуатации. Этот метод более близок к реальным условиям и позволяет более полно судить об изменениях в материале при его сложном нагружении. Результаты исследования деформации сдвига могут быть использованы для прогнозирования поведения материала в различных условиях эксплуатации, при конструировании готовых изделий, разработке их технологии, создании объективных методов оценки качества материалов и одежды.

Литература

1. Бузов Б.А. Механические свойства и износостойкость текстильных материалов // Докл. VII Всесоюз. науч. конф. по текстильному материаловедению. Каунас; Вильнюс, 1971. С. 192.

2. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов: Учебник для техн. вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1989.

3. Ицикович Г.М. Сопротивление материалов: Учебник для учащихся машиностроит. техникумов. 7-е изд., испр. М.: Высш. шк., 1986.

4. Катунскис Ю.Ю. Разработка метода и прибора для исследований деформаций сдвига тканей: Дис. ... канд. техн. наук, 1975.

5. Милюкайте-Гульбинене А.Б. Исследование характеристик сдвига тканей, дублированных с поролоном: Дис. ... канд. техн. наук, Каунас, 1974.

6. Модестова Т.А., Бузов Б.А. Технология текстильной промышленности. 1963. № 6. С. 22; 1965. № 2. С. 14; 1965. № 1. С. 16.

7. Назаров Ю.Т., Афанасьев В.М. Нетканые текстильные материалы. М.: Легпромбытиздат, 1987. 278 с.

8. Сопротивление материалов / Под ред. А.Ф. Смирнова и др. М.: Высш. шк., 1968.

9. Brenner F.C. and Chen C.S. The Mechanical Behavior of Fabric. Pt 1: Wrinkling // Text. Res. Y. 1964. P. 34.

10. Cusick G.E. The Resistance of Fabric to shearing Forces // Journ. of Textile Institute. 1961. Р. 52.

11. Cusick G.E. The Dependence of Fabric Drape on Bending and Shear Stiffness // Journ. of Textile Institute. 1965. Р. 56.

12. Dreby E.C. Physical Method for Evaluating the Hand of Fabrics and for Determining of Effect of Certain Textile Finishing Processes // American Dyestuff Reptr. 1942. Р. 31.

13. Treloar L.R.G. The Effect of Test-piece Dimensions on the Behavior of Fabric in their // Journ. of Textile Institute. 1965. Р. 56.

© Чадова Т.В., Серебрякова Л.А., 2004 г.