АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
AUTOMATED SYSTEM FOR EXAMINING CHEMICAL FIBRES

Предлагаемое изобретение относится к системам исследования характеристик полимерных материалов, а именно к системам и приборам исследования напряженно-деформационных и вязкоупругих характеристик полимеров в широком диапазоне температур и деформаций.
Известны динамометр типа Поляни [1, стр.203], релаксометр на основе рычажных весов с автоматическим уравновешиванием [1, стр.203-204], наклонный релаксометр [1, стр.204-205], известен релаксометр научно-исследовательского института шинной промышленности [2, стр.36], содержащий сосуд с термостатирующей рубашкой, систему закрепления образцов полимером в виде полосок, груз для растяжения образца и удерживания его в растянутом состоянии, автоматизированную систему измерения и записи усилия натяжения образца.
Известно устройство для измерения релаксационных, реологических и дилатометрических характеристик сжатия при постоянной скорости деформации и при постоянном давлении, включающее электропечь с регулятором температуры, поршень с электрическим приводом, датчики напряжения и деформации с регистрирующими приборами [3, стр.229-231].
Известен прибор «Релакс» [3, стр.231-233] для определения релаксационных характеристик каучуков и резиновых смесей в процессе сжатия образца с постоянной скоростью, содержащий термокамеру, электрический привод с кулачком для сжатия образцов с заданной скоростью, приборы измерения усилия в процессе сжатия и дальнейшей выдержки при постоянной составляющей.
Данные приборы предназначены для исследования отдельных образцов исследуемых материалов. Они позволяют определить релаксационные характеристики исследуемого полимера и по ним судить об особенностях его структуры [4, стр.7], но они имеют большую трудоемкость установки и замены образцов и проведения самих исследований, что исключает возможность быстрого проведения большого количества анализов, что часто необходимо для получения статистически обоснованных выводов, а также принятия решений по ведению технологических процессов.
Известен прибор динамического механического анализа DMA/STDA861 фирмы METTLER TOLEDO [5, 6], позволяющий путем исследования динамического модуля и модуля потерь материалов анализировать вязкоупругие и релаксационные характеристики материалов. Прибор имеет широкие возможности по исследованию фазовых и релаксационных переходов в широком диапазоне температур и деформационных воздействий, большую точность, большие возможности по обработке и представлению результатов исследования. Но данный прибор также работает с одним образцом. Это требует ручной работы по установке и замене образцов, что также не позволяет быстро получить большое количество результатов исследований. Кроме того, данный прибор имеет высокую стоимость.
Известна автоматизированная система исследования волокон [7], включающая камеру нагрева с системой регулирования температуры и системой подачи воздуха в камеру нагрева, силоизмерительный ролик, проходной ролик, устройство для вытягивания волокна, содержащего винт с электроприводом, на котором находится подвижный ролик, верньерное устройство для ввода образца в камеру и его вывода, систему подачи воздуха в камеру нагрева, системы управления температурой внутри камеры нагрева, вытяжкой, верньерным устройством, подачей воздуха в камеру нагрева волокна. Данная система имеет большие возможности по исследованию химических волокон, оптимизации процессов обработки. Но большим недостатком системы являются большая трудоемкость исследований, связанная с ручной установкой и заменой образцов, выводом режимов на заданные значения. Кроме того, система имеет повышенную дисперсию воспроизводимости результатов исследования вследствие изменения начальных длины, натяжения, температуры при каждом исследовании.
Таким образом, имеются приборы, которые позволяют исследовать те или иные механические характеристики полимеров, по которым можно судить о структуре полимеров. Но вследствие проведения анализа отдельных образцов данные приборы могут использоваться в основном только в научных целях. В них реализованы функции установки образцов, реализации режимов испытаний, съема результатов испытаний. В приборе DMA/STDA861, содержащем компьютерную систему, кроме того, реализованы функции программного управления, обеспечивающие автоматизированное выполнение программ исследования, обработки и представления результатов при исследовании данного образца. Но ввиду большой трудоемкости данные приборы не могут использоваться для управления характеристиками волокон непосредственно в процессе их производства, когда в реальном времени прохождения технологического процесса необходимо делать большое количество анализов, например при анализе временного ряда характеристик волокна в процессе управления, при выявлении источников нарушений технологического процесса, оценке спектральных составляющих возмущающих воздействий, анализе эффективности систем управления. Кроме того, для управления технологическим процессом не требуется такая высокая точность измерения, что позволяет упростить системы измерения и снизить их стоимость.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является прибор термомеханического анализа Динафил М производства немецкой фирмы Textechno [8,9]. Прибор содержит катушку с исследуемой нитью, натяжитель нити, первую галету, компенсирующих ролик, питающую галету ступенчатой галеты, термокамеру, измерительный ролик, выходную галету ступенчатой галеты, направляющий ролик, приемную катушку, системы управления скоростью прохождения нити, температурой камеры нагрева, счетчик количества пройденной нити, систему измерения усилия натяжения нити, систему сбора, обработки и представления результатов исследований, реализованную на персональном компьютере. Прибор предназначен для измерения натяжения нити при растяжении, силы усадки нити, силы упругости извитка, силы трения. Достоинством прибора является то, что после одной ручной операции - установки катушки с исследуемой нитью и ее заправки, он позволяет определить характеристики всей нити, находящейся на катушке. Это позволяет получить статистически обоснованные результаты, провести анализ временных рядов характеристик нити и т.д. Недостатками прибора являются ограниченность исследований, которые можно реализовать на непрерывно проходящей нити, а также фиксированные значения кратности вытягивания нити, которые ограничены соотношениями диаметров питающей и выходной галеты ступенчатой галеты.
Задача изобретения - расширение функций и области применения системы исследования химических волокон.
Поставленная задача достигается тем, что в систему исследования волокон, включающую термокамеру, систему измерения натяжения нити, систему управления температурой в термокамере, систему сбора, обработки и представления информации введены система подачи нити в термокамеру, система приема нити из термокамеры, например вальцы с электрическим приводом, система управления углом положения вальцев системы подачи нити в термокамеру, система управления скоростью вальцев системы подачи нити в термокамеру, система управления углом поворота вальцев системы приема нити из термокамеры, система управления скоростью вальцев системы приема нити из термокамеры, система управления усилием натяжения нити, система программного управления, реализующая автоматизированное выполнение программ исследования.
На фиг.1 представлена функциональная схема автоматизированной системы исследования химических волокон.
На фиг.2 представлены деформационные характеристики полимеров при различных температурах.
На фиг.3 представлены графики релаксации напряжения полипропиленовой нити.
Предлагаемая система (см. фиг.1) содержит катушку 1 с исследуемой нитью, систему подачи нити в термокамеру 2 с электроприводом 3, датчиками скорости вращения 4 и угла поворота 5, измерительный ролик 6, термокамеру 7 с нагревательными элементами 8, промежуточный ролик 9, систему приема нити из камеры 10 с электроприводом 11 и датчиками скорости вращения 12 и угла поворота 13, приемную катушку 14, блок управления 15, включающий систему управления скоростью вальцев системы подачи нити в термокамеру, систему управления углом поворота вальцев системы подачи нити в термокамеру, систему управления скоростью вальцев системы приема нити из термокамеры, систему управления углом поворота вальцев системы приема нити из термокамеры, систему измерения усилия натяжения нити, систему управления усилием натяжения нити, систему управления температурой в термокамере, систему программного управления, реализующую в автоматизированном режиме программы исследования, систему сбора, обработки и представления информации 16 о процессе и результатах исследования. Данные от датчиков автоматизированной системы исследования химических волокон поступают на блок управления и в систему сбора, обработки и представления информации, управляющие воздействия поступают с блока управления на исполнительные механизмы и на систему сбора, обработки и представления информации.
Предлагаемая автоматизированная система исследования химических волокон позволяет выполнять исследования как непрерывно проходящей нити при заданной температуре и скорости движения, так и вводить заданные участки нити, т.е. производить дискретные исследования образцов нити с заданным шагом по заданной программе при их автоматической замене, что иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. На фиг.2 приведены типовые диаграммы напряжение - деформация для полимеров при различных температурах [10, стр.26, 29]. Предлагаемая система позволяет снять все семейство кривых. Производится заправка исследуемой нити в систему. Запускается программа исследования деформационных характеристик. В программу управления системой заводятся данные о количестве экспериментов, значениях температуры при каждом эксперименте, начальном напряжении нити, скорости деформации. После запуска системы управление процессом исследований производится системой программного управления. При этом дается задание системе регулирования температуры вывести температуру термокамеры на первый заданный уровень, после выхода температуры выдается задание системе управления усилием натяжения нити, которая устанавливает вальцы системы приема нити из термокамеры в такое положение, при котором усилие напряжения нити равно заданному начальному напряжению, затем выдается задание системе управления скоростью системы приема нити из термокамеры производить вытяжку нити с заданной скоростью. При этом регистрируются деформация и усилие натяжения нити. После разрушения образца система приостанавливается для заправки нити оператором. Затем система продолжает исследования при последующих значениях температуры.
Данное исследование проводится с разрушением образцов, поэтому не позволяет полностью показать положительный эффект предлагаемого устройства. Следующие примеры иллюстрируют преимущества данной системы в случае работы с неразрушающими методами исследований.
Пример 2. Измерение усилия натяжения нити в процессе вытягивания при заданной температуре. Производится заправка исследуемой нити. Запускается программа исследования усилия натяжения нити при вытягивании. Вводятся данные о температуре исследования, скорости движения, кратности вытягивания нити. Система регулирования температуры по заданию системы программного управления выводит температуру на заданное значение. Системы управления скоростями вальцев систем подачи нити в термокамеру и приема нити из термокамеры выводят скорости на входе и выходе термокамеры на заданное значение скорости прохождения нити. Затем система управления скоростью вальцев системы приема нити из термокамеры выводит скорость на значение, обеспечивающее заданное значение кратности вытяжки нити. Происходит вытягивание нити при заданной температуре и кратности вытяжки. При этом периодически происходит регистрация параметров системы. В результате исследования выдается массив и графики усилия натяжения нити в процессе вытягивания при заданных параметрах по длине нити на катушке.
5
5
Пример 3. Управление температурой ориентационной вытяжки крашеной полипропиленовой нити. Ориентационная вытяжка полипропиленовой нити производится в режиме вынужденной высокоэластической деформации, которой на фиг.2 соответствуют кривые с максимумами на начальном этапе деформации 4, 5, 6. Пусть процесс ориентационной вытяжки производится при температуре Т, соответствующей кривой 5. Изменение характеристик исходного полипропилена типа или количества добавляемого в него красителя существенно влияет на структуру сформованной нити и ее деформационные характеристики. При этом может быть получена структура нити со смещенной деформационной характеристикой в сторону. Пусть, например, при значении температуры Т характеристика имеет вид линии 4 и производится нарушение процесса ориентации и обрыв технологической линии. Смещение деформационной характеристики в сторону линии 6 приводит к снижению характеристик получаемой нити. Для обеспечения нормального прохождения процесса ориентации при заданном типе и концентрации красителя необходимо подобрать новую температуру ориентационной вытяжки, обеспечивающей возврат деформационной кривой из положений 4 или 6 в положение 5.
5
5
Нахождение оптимальной температуры ориентации для данного типа и концентрации красителя производится следующим образом. Длинный образец нити с линии после формования (до прохождения ориентационной вытяжки) заправляется в систему и запускается программа нахождения температуры ориентационной вытяжки, обеспечивающей требуемую кратность вытяжки. Система выводит термокамеру на температуру Т и, включая системы подачи нити в термокамеру и приема нити из термокамеры с одинаковой скоростью, контролируя усилие натяжения нити, вводит новый образец в термокамеру. Затем, устанавливая заданное значение скорости вальцев системы приема нити из термокамеры, производит вытяжку нити с заданной скоростью. При этом регистрируются деформация и усилие натяжения нити. После прохождения максимума усилия натяжения нити (точка А) полученное значение усилие натяжения нити сравнивается с заданным (σ). Превышение текущего значения над заданным означает, что диаграмма напряжение-деформация сместилась в сторону диаграммы 4. Анализ данного образца прекращается и он выводится, а в термокамеру вводится новый образец. Второй анализ производится при повышенной температуре термокамеры, и снова усилие натяжения нити в точке А сравнивается с заданным значением. Автоматизированный эксперимент продолжается до выхода на температуру, при которой получается усилие натяжения нити, равное заданному. Если в первом эксперименте текущее значение напряжения меньше заданного, то все делается аналогично, но второй эксперимент делается при повышенной температуре. Выбор температуры производится с использованием алгоритмов одномерного поиска. После вывода режима на заданное значение напряжения производится вытяжка образца до выхода в точку В (начала повышения напряжения). Если полученная кратность вытяжки соответствует требованиям (готовая нить получается с заданным значением текса), то данный режим выставляется на технологическом процессе. В противном случае принимается решение по корректировке толщины, диаметра рукава при формовании, параметров резки для получения требуемого текса нити. Процесс поиска оптимальной температуры вытяжки производится автоматически без перезаправки исследуемой нити.
Пример 4. Исследование стабильности и управление структурой полимера по равновесной и релаксационной составляющим напряжения [11, стр. 172, рис.24-4]. На фиг.3 приведены релаксационная кривая 1 напряжения полипропиленовой нити при ступенчатой деформации. Напряжение равно сумме напряжения равновесной составляющей 2 и релаксационной составляющей 3. Величина напряжения после ступенчатой деформации (точка А), величина напряжения после определенного времени релаксации (точка В), величина напряжения химической сетки (линия 2), величина и скорость падения напряжения релаксирующей составляющей (линия 3) характеризуют структуру полимера. После заправки исследуемой нити и запуска программы исследования релаксационных характеристик система программного управления в автоматизированном режиме производит снятие заданного количества данных кривых при заданных температурах. В процессе обработки результатов релаксационные кривые могут быть разложены на составляющие, а также может быть описана зависимость времен релаксации компонент от температуры.
Количество примеров применения данной системы может быть продолжено, и оно постоянно расширяется.
Рассмотренное подтверждает наличие в предлагаемом техническом решении технического результата, полученного в результате наличия существенных признаков:
- расширение функций - системы управления углами положения вальцев систем ввода нити в термокамеру и вывода нити из термокамеры позволили получить режим ввода очередного образца из исследуемой катушки, остановки и его исследования (старт-стопный режим), что позволило кроме исследования усилия натяжения при вытягивании, силы усадки, силы трения проводить исследование напряженно-деформационных, упруго-вязкостных характеристик и по ним судить о структуре полимеров; дополнительное программное управление позволило производить поиск оптимальных параметров проведения технологического процесса (пример 3),
- расширение области применения - повышение производительности системы, возможность получения большого количества анализов позволяют исследовать динамические характеристики нитей во времени (по длине нити на катушке), производить корреляционный и спектральный анализы, выявлять наличие возмущающих воздействий, действующих на технологический процесс, использовать систему в реальном времени непосредственно для управления технологическим процессом, находить оптимальные режимные параметры проведения технологического процесса (пример 3); при управлении технологическим процессом вместо стабилизации режимных параметров - температуры технологических переходов, скорости вальцев и т.д. использование данной системы позволяет производить управление непосредственно структурными характеристиками полимеров и вывести показатели готовой продукции на новый качественный уровень.
Возможность реализации обусловлена работоспособностью элементов предлагаемого технического решения и частичной практической его проверкой при реализации технического решения [7].
Недостатком предлагаемой автоматизированной системы исследования химических волокон ввиду особенностей нитепроводного тракта, фиксации нити на вальцах, наличия краевого эффекта у термокамеры является меньшая точность получения характеристик полимеров, чем у современные приборов, например у рассмотренного прибора динамического механического анализа фирмы фирмы METTLER TOLEDO. Но опыт работы с системой [7] показал, что полученной точности достаточно как для исследования характеристик нити в процессе их получения, так и для научных исследований. При большой дисперсии характеристик большее значение имеет возможность снижения трудоемкости исследований и быстрого получения большого количества анализов для статистического обоснования полученных результатов.
Источники информации
1. М.М.Резниковский, А.И.Лукомская. Механические испытания каучука и резины. М.: Химия. 1968. - 500 с.
2. Лабораторный практикум по технологии резины. Под. ред. Н.Д.Захарова. М.: Химия, 1988. - 256 с.
3. Б.И.Андрашников. Справочник по автоматизации и механизации производства шин и РТИ. М.: Химия. 1981. - 296 с.
4. Г.М.Бартенев. Структура и релаксационные свойства эластомеров. - М.: Химия, 1979. - 288 с.
5. Динамический механический анализ устанавливает новые стандарты. Проспект фирмы METTLER TOLEDO. 2002 г. Представительство в СНГ. Меттлер-Толедо Восток. Москва. (495) 021-92-11. Копия проспекта представлена в материалах заявки.
6. www.mtrus.com
7. Бирюков В.П., Бирюков А.В. Автоматизированная система исследования волокон. // Доклады международной конференции по химическим волокнам «Химволокна-2001» / Российская инженерная академия. - Тверь, 2000. - С.135-138.
8. Динафил М. Прибор для измерения сил при усадке и растяжении. Инструкция по эксплуатации (копия приложена к заявочным материалам).
9. ww.textechno.com
10. Р.В.Торнер. Теоретические основы переработки полимеров (механика процессов). М.: Химия, 1997. - 464 с.
11. А.А.Аскадский. Лекции по физико-химии полимеров. М., МГУ. 2001. - 224 с.