1.Úvod Vlastnosti vláken jsou výsledkem fyzikálních zákonitostí, ty jsou odvozeny od jeho molekulové, jemné a hrubé struktury. Každá vlastnost vláken je odrazem jeho struktury. To je d

1.Úvod

Vlastnosti vláken jsou výsledkem fyzikálních zákonitostí, ty jsou odvozeny od jeho molekulové, jemné a hrubé struktury. Každá vlastnost vláken je odrazem jeho struktury.

To je důležité především u syntetických vláken, které patří v dnešní době k nejrozšířenějším materiálům, jak v textilním, tak i v technickém odvětví.

Mechanické vlastnosti můžeme charakterizovat jako změny látek vlivem vnějších mechanických sil. Tyto vlastnosti polymerů jsou předmětem zkoumání z různých hledisek.

Mezi tato hlediska patří vliv mechanických sil na polymerní látky, druhy mechanických sil, podmínky jejich vlivu a měření, způsob přerušení látek účinkem mechanických sil.

Pro zjišťování chování vlákenného materiálu při určitých podmínkách jako je třeba způsob namáhání, frekvence, teplota nám slouží Mechanicko Dynamická analýza. Tato analýza je nedílnou součástítermických analýz. Jedná se o metodu měření, která umožňuje identifikovat řadu přechodů v polymerních materiálech, na které jsou jiné metodiky málo citlivé. Přístroj DMA sleduje odezvy materiálu na vybuzené kmity.

Vlákna v procesu zpracování nebo používání se jen málo kdy namáhají silami, které se blíží jejich pevnosti. Častěji na vlákna působí různé mechanické síly, menší než je jejich pevnost, ale vícenásobně se opakují.

Cílem této diplomové práce je popis změny vlastností vláken vlivem dodatečné fixace při třech různých teplotách fixace.

2. Literární rešerše

2.1 Polyesterová vlákna (PES)

Polyesterová vlákna jsou vzhledem ke svým univerzálním vlastnostem nejdůležitějším druhem syntetických vláken. Zaujímají první místo mezi syntetickými vlákny

(47,5 %).[1]

2.1.2 Struktura polyesteru

Elementární strukturní jednotka polyesterových vláken je triklinická. Polyester je tvořen amorfní i krystalickou strukturou, což je způsobeno přítomností aromatických jader v makromolekule vlákna. Polyestery se vyznačují přítomností esterové skupiny v řetězci – C – O – O

CO O CH₂ CH₂ O CO

O

H H

n

Obr.č.1 Chemický vzorec PES

2.1.3 Výroba polyesteru

Polyester se vyrábí polykondenzací etylenglykolu a kyseliny tereftalové. Výrobu polyesteru lze rozdělit na tři hlavní části pokud se vychází z kyseliny tereftalátové, případně jejího dimetylesteru /DMT/ a etylenglykolu.

1. Polykondenzace - příprava vysokomolekulárního vláknotvorného polykondenzátu.

2. Výroba vlákna z taveniny.

3. Dloužení a finální úpravy včetně aviváže.[2]

Základní surovinou pro výrobu polyesterových vláken je dimetyltereftalát /DMT/ a ethylenglykol. DMT je chemickou sloučeninou kyseliny tereftalátové a metanolu.

Polyetyléntereftalát je chemický název pro polymer, z kterého se vyrábí polyesterová vlákna. [4]

Monomerem pro výrobu polyesterových vláken je diglykoltereftalát. Je to bezbarvá krystalická látka s bodem tání 109° – 110°C. Připravuje se reesterifikací dimetyltereftalátu

etylenglykolem za přítomnosti katalyzátorů při teplotě 150°C v nádobách z nerezavějící oceli s elektrickým vyhříváním.

Reesterifikace – se uskutečňuje v reesterifikačním reaktoru, probíhá za atmosférického tlaku. Alkoholýza probíhá v alkoholickém prostředí za přítomnosti stop alkoholátu, nebo kyseliny. Jedná se o vratnou reakci.

Katalyzátory používané při reesterifikaci jsou účinné i při polykondenzaci diglykoltereftalátu na polyester. Polykondenzace je reakce při které vzniká polyethylentereftalát. Při této reakci vzniká ze dvou nebo více nízkomolekulárních látek makromolekulární sloučenina. Teplota polykondenzace musí být vyšší než bod tání 260°C, zároveň teplota musí být nižší než 290°C. Při této teplotě nastává termická destrukce. Polykondenzace bývá v mezích 270° – 280°C, probíhá ve vakuu, tím dosáhneme vysokého polymeračního stupně. Probíhá v polykondenzačním reaktoru.

Odbouráváním koncových skupin může dojít k termickému rozkladu polyesteru. Tato reakce se projevuje nežádoucím zabarvením taveniny.

Polykondenzát můžeme zvlákňovat kontinuálně při teplotě 260°C, kdy není termická destrukce tolik nebezpečná. Nebo diskontinuálním zvlákňováním, které předpokládá přípravu zrněného polykondenzátu a jeho tavení na tavícím roštu zvlákňovacího zařízení.

Při tomto způsobu zvlákňování nesmí přeskočit obsah vlhkosti zrněného polymeru 0,01

%, aby nenastalo snižování molekulové hmoty. Granule se taví v různě konstruovaném zařízení (rošty, šneky, roury), kapalný produkt se filtruje a přes přesná dávkovací čerpadla tlačí na zvlákňovací hlavy trysek. Pod tryskou prochází chladící šachtou. Dále se buď navíjí na cívky, nebo ukládá do košů, případně zpracovává na kabel. [2,3]

Na navíjecím stroji se vlákno vede dvojicí preparačních válečků a odtahuje se dvojicí odtahových galet. Při výrobě nekonečných vláken se vlákno navíjí na válcovou cívku.

Vlákno se ukládá do válcových nebo hranolových nádob. Tyto nádoby se nazývají koše nebo konve.

Dloužením získává vlákno konečné vlastnosti a je důležitým faktorem pro vlastnost hotových PES vláken. Při dloužení je nutno brát v úvahu i relaxaci, tj. zpětné částečné smrštění dlouženého vlákna. Proto má velkou důležitost při dloužení teplota a napětí, které ovlivňují relaxaci vlákna. Dloužení polyesterových vláken se provádí za tepla i za chladu.

Při teplotách do 100°C docílíme lepších fyzikálních vlastností. Dlouží se až do 500 % původní délky vlákna, po dloužení se zařazuje fixace horkou párou, tím se potlačí pnutí mezi molekulami. Po fixaci se provede konečná aviváž. [2,3]

Aby se střížová vlákna více podobala vláknům přírodním, zvětšuje se jejich objem obloučkováním. Jedná se o jemné zvlnění vlákna, čímž získává vlákno tvar podobný tvaru vlněného vlákna. Obloučkovaná vlákna mají 3 až 10 obloučků na 1 cm. Obloučkuje se pěchováním. Kabel se ve formě stuhy vede přes dvojici pěchovacích válečků, které jej pěchují do pěchovací komory. Jedna část komory se odklápí a z ní vychází kabel ven, lze zde nastavit regulovatelný tlak. Aby obloučkování bylo pravidelné, musí mít kabel před pěchovací komorou konstantní napětí.

Fixace se realizuje ve fixačních sušárnách suchým teplým vzduchem. Fixační zařízení má tvar široké svislé šachty, do nichž se shora ukládá kabel a zdola se fixovaný kabel odtahuje. Šachtou se ventilátorem tlačí silný proud ohřátého vzduchu. Na začátku fixace kabel ještě obsahuje vlhkost, proto se nejprve suší. Během fixace je fixační teplota v rozmezí 140° – 160 °C. Vlákno se fixuje 1 až 3 minuty. Jsou-li kabel nebo stříž uloženy v tlustších vrstvách, fixace probíhá delší dobu – přibližně 20 minut. Delší doba fixace umožňuje vlákno dokonale a rovnoměrně prohřát. [5]

2.1.4 Vlastnosti PES vláken

Polyesterové vlákno je válcového tvaru s kruhovým průřezem. V případě matování je matovací prostředek zřetelně vidět jako jemné tečky jak v podélném pohledu v procházejícím světle, tak v příčném řezu. Jako matovací prostředek se používá oxid titaničitý.

Polyesterová vlákna se vyznačují dobrou světelnou stálostí. Obsahují velmi malé množství vlhkosti, takže pevnost a tažnost tím nejsou ovlivněny. Vlákna mají malou tažnost, která je důležitá při textilním zpracování. Závadou pro praktické užívání výrobků z PES vláken je jednak tvorba žmolků, způsobené vysokou pevností a také lomy fibril, které se jeví jako jinak zbarvená místa na výrobcích. Malá navlhavost usnadňuje rychlé schnutí výrobku po vyprání, působí však nepříjemným pocitem při styku s pokožkou. Působením horké vody nebo páry se hodnoty fyzikálních parametrů zmenšují jen velmi málo. Na teplotě závisí procentuální složení plynných zplodin. Polyestery se tepelně rozkládají za vlhka mnohem rychleji než v suchém prostředí. Jsou odolné vůči kyselinám i vůči enzymům. Dále jsou stálá k oxidačním prostředkům (bělení ) a v běžných rozpouštedlech.

Silné alkálie a amoniak PES vlákna narušují [5].

Polyesterová vlákna mají měrnou hmotnost od 1,33-1,38 kg/m³ podle zpracování a orientace makromolekul. Hustota je tedy dosti vysoká, eliminuje se částečně směsováním s přírodními vlákny. Pro zpracování je nevýhodou vysoký elektrostatický náboj vznikající třením. Z částí se dá odstranit jednak uzemněním strojů, vlhkostí vzduchu a antistatickou aviváží vláken. Statický náboj způsobuje zvýšené špinění výrobků. Bod tání PES vláken je cca 260°C, vlákna však jsou plastická již kolem 240°C. PES vlákna přímo nehoří, hnědnou při vyšší teplotě. Vlákna mají malou tažnost, která je důležitá při textilním zpracování. [2]

Tabulka 1: Základní mechanicko-fyzikální vlastnosti PES

2.1.5 Použítí PES vláken

PES vlákna se používají jak v oblasti textilní tak technické. V textilní oblasti se směsují s bavlnou, vlnou a viskózovou střiží. Výhodou těchto směsových tkanin je snadná údržba, stálost tvaru, odolnost proti oděru, vysoká pevnost za sucha i za mokra. Použití je mnohostranné: na košiloviny, šatovky, oblekovky, plášťoviny. Výrobky pletené, tkané i netkané. PES vlákna, zejména hedvábí se zpracovává samostatně na různé oděvní doplňky, podšívkoviny, svrchní ošacení. Uplatnění nacházejí i v bytovém textilu na dekorační a potahové tkaniny, záclony, textilní tapety.

V technické oblasti se používají na zpevnění plastických hmot, jako kordové hedvábí, na speciální filtry, sítě, síta, požární hadice, plachtoviny, kompozity. [6]

Měrná pevnost za sucha [mN/tex] 400 - 600 Pevnost za mokra [% pevnosti za sucha] 95 - 100 Poměrné prodloužení za sucha [%] 15 - 40 Prodloužení za mokra [% prodloužení za sucha] 100 - 105 Měrná hmotnost [kg.m^-3.10³] 1,37 - 1,39

Počáteční modul [cN/tex] 1300

Tažnost [%] 50 - 70

Polymerační stupeň 100 - 150

Obsah vlhkosti [%] 1,5 - 3,0

Navlhavost [%] 0,5 - 0,8

Bobtnavost [%] 3 - 5

Teplota zeskelnění [°C] 70 - 80

Teplota fixace [°C] 100 - 180

Teplota žehlení [°C] 150 - 200

Teplota měknutí [°C] 235 - 248

Teplota tání [°C] 248 - 256

2.2 Polyamidová vlákna (PA)

Jsou na druhém místě co do významu. Tvoří nejdůležitější skupinu syntetických makromolekul používaných jako textilní vlákna.

Běžná PA vlákna mají válcový tvar s kruhovým průřezem, profilované vlákno přijímá tvar trysky se zaoblenými tvary. Chemickou podstatou se blíží vlně.

2.2.1 Struktura polyamidu

Jsou to lineární makromolekulární sloučeniny, tvořené řetězcem několika skupin –CH2- neboli metylénových skupin, ve kterých se pravidelně opakuje amidová skupina –CONH-.

Polyamidová vlákna mají krystalické a amorfní podíly polymeru. Polyamidy mají sklon vytvářet krystality. [7]

2.2.2 Výroba polyamidu

Polyamidová vlákna se vyrábějí ve dvou typech. A to především jako polyamid 6.6, který se vyrábí polykondenzací z kyseliny adipové a hexamethylendiaminu. Druhý typ je tzv.

polyamid 6, který se připravuje polyadicí ze suroviny zvané kaprolaktam. Rozdíl mezi těmito typy vláken je patrný z těchto chemických vzorců, které představují příslušný polymer.[8]

[ NH – (CH2)6 – NH – CO – (CH2)4 - CO]n

Polyamid 6.6

[ NH – (CH2)5 – CO]n

Polyamid 6

Obr.č.2 Chemické vzorce PA 6 a PA 6.6

Polykondenzace – chemická reakce při které, mnoho monomerů různého typu se slučuje v prostorově jinak stavěné velké molekuly. Přitom se kondenzují ostatní látky, většinou voda. Jedná se o vratnou reakci, která probíhá až do rovnovážného stavu mezi výchozími látkami a produkty reakce. [5]

Polyadice - postup je podobný jako u polykondenzace. Je to reakce, při níž vzniká makromolekula z difunkčních nebo polyfunkčních sloučenin bez odštěpení jiné molekuly.

[5]

Výrobu polyamidu můžeme opět rozdělit na tři hlavní části:

1. přípravy polymerů 2. zvlákňování

3. dloužení a úprava vláken pro textilní zpracování

Pro výrobu vláken se uplatňují polyamidy vzniklé:

1. Polykondenzací dikarbonových kyselin a diaminů

2. Polykondenzáty z aminokarbonových kyselin s více než čtyřmi metylénovými skupinami

3. Polymery z laktamů s více než šestičlenným cyklem [2]

2.2.3 Technologie výroby PA 6

Polyamid 6 se získává polymerací ε - kaprolaktamu. Základní surovinou ε - kaprolaktamu je fenol. ε - kaprolaktam je cyklicky uspořádán, je nutné ho pro zvlákňování rozpojit.

Rozpojení řetězce se děje za podpory katalyzátorů.

U polymerace kaprolaktamu se předpokládá nejprve rozštěpení laktamového cyklu na kyselinu aminokapronovou, která dále kondenzuje. Katalyzátorem reakce je voda, kterou musíme po skončení reakce odstranit.[2]

Polymerace se provádí beztlakovým způsobem, kdy do polymeračního kotlíku proudí roztok kaprolaktamu (92%) s přídavkem 0,15 % monofunkčního stabilizátoru, který reguluje délku řetězce. Mimo reakci zde vstupují doprovodné látky, jako stabilizátory, matovací prostředky.

Polymerace je chemická reakce, při které mnoho monomerů stejného typu se spojuje do velkých molekul ve tvaru vláken nebo řetězců, které se spolu navzájem spojují. Tato reakce probíhá kontinuálně asi při teplotě 260°C, polyamid se na dně kotlíku filtruje pískovým filtrem a po filtraci je zubovým čerpadlem dávkován do zvlákňovací trysky.

Tryska se liší tvarem podle druhu vyráběných vláken. Například tryska obdelníková je určena pro zvlákňování kabelu pro stříž, kruhová je určena pro zvlákňování hedvábí.

Průměry otvorů v tryskách jsou podle požadované jemnosti vláken. Výroba kvalitního vlákna závisí na průchodnosti trysek, ty jsou pravidelně kontrolovány a čištěny.

Při dloužení je polymer vytlačován z trysky do šachty, kde je ochlazován vzduchem.

Poté se PA vlákna dlouží na galetách na 350 – 400 % své původní délky. Přitom dochází k orientaci makromolekul ve směru podélné osy vlákna. Dloužení probíhá za teploty 80° – 90°C.

Vlákna vyráběná ve tvaru stříže je nutno nařezat z kabele, který vychází z trysek.

Vlákna v kabelu jsou před řezáním obloučkována. Řežou se rotačními noži na požadovanou délku podle typu ( bavlnářský, vlnařský, kobercářský). Dále se stříž pere, avivážuje, odstřeďuje, suší, rozvolňuje a lisuje do žoků.

Vlákna z PA 6 jsou vyráběna v následujících typech stříž (bavlnářská, vlnařská, kobercářská), hedvábí netvarované, hedvábí tvarované, hedvábí kordové, kabílek. [9]

2.2.4 Technologie výroby PA 6.6

Polyamid 6.6 je vyráběn polykondenzací hexametylendiaminu a kyseliny adipové za vzniku tzv. nylonové soli. AH sůl (nylonová sůl) je rozpustná ve vodě, rychle kondenzuje.

Tvorba soli AH je žádoucí pro zajištění reagujících složek. Umožňuje získávat polymer o vyšším polymeračním stupni. Sůl AH se rozpustí v malém množství vody a při teplotě 260° – 270°C a tlaku 1 – 2 MPa dochází v autoklávu, pod dusíkem, k polykondenzaci.

Přičemž se voda vypouští a udržuje se vakuum. Tím se zabrání zabarvení polymeru oxidací. Přebytek vody se odstraní odpařením. Tavenina je poměrně málo stálá k vysokým teplotám, a proto se musí rychle zpracovat.

Zvlákňování se provádí z taveniny, kdy se granulát taví na roštu, protéká tryskou do šachty jako tomu je u PA 6. Před zvlákňováním se mohou přidávat matovací prostředky.

Vlákna se dlouží, tj. orientují, čímž se dosáhne výhodných fyzikálních vlastností.

Výstupem vlákna z trysky je vlákno v nenapjatém stavu a nemá požadované vlastnosti, hlavně vysokou pevnost a pružnost. Vlákno z trysky se soustavou válců o různé rychlosti protáhne asi čtyřikrát (stupeň dloužení). Napínání za studena způsobuje, že neurovnané makromolekuly se uspořádají – orientují, proto také dloužená vlákna nazýváme orientovaná. Současně při dloužení dochází ke změně geometrického tvaru – zvětšení délky vlákna a zmenšení průměru.[2]

Fixace je postup, při kterém dochází ke stabilizaci makromolekul ve vlákně.

Působením tepla dojde nejprve k uvolnění struktury a pak zchlazením ke zpevnění struktury vlákna a přizpůsobení požadovanému tvaru, který byl dán vláknu před působením tepla. Při fixaci se vnitřní pnutí uvolňuje, tím se ustaluje objem vlákna, zabraňuje se dodatečnému smršťování a srážení vlákna zejména při vypírání, sušení, a chlazení. Fixace slouží ke zvýšení tvarové a rozměrové stability, má příznivý vliv na zlepšení nemačkavosti, snížení žmolkovitosti a zvyšuje užitné vlastnosti výrobku z PA vláken. Může se provádět teplem za mokra, teplem za sucha, horkou vodou, chemikáliemi, a nebo kombinací. Způsob fixace se volí podle druhu upraveného materiálu a podle požadavků, které jsou na materiál kladeny.

Vlákna procházejí ještě řadou lázní a aviváží, které usnadňují textilní zpracování.[2]

2.2.5 Vlastnosti PA vláken

Vlákna se vyznačují vysokou pevností za sucha i za mokra, vysokou pevností v oděru, dobrou pružností a tažností, rozměrovou stálostí po fixaci, nemačkavostí a nízkou navlhavostí.

U mechanických vlastností je důležitý tzv. studený tok, který je příčinou nevratných deformací vláken dlouhodobě namáhaných. Vlákna jsou termoplastická, tavitelná, rychle zápalná, při hoření odkapávají tmavé kuličky taveniny, které mohou oheň dále rozšířit. Při hoření vlákna vydávají aromatický zápach, po oddálení plamene zhasínají.

Vlákna jsou srážlivá, podléhají fotodegradaci, proti mikroorganismům jsou stálá.

Kyseliny vlákna porušují, až rozpouštějí, proti působení alkálií jsou stálá.

Tabulka 2: Základní mechanicko-fyzikální vlastnosti PA

PA vlákna mají vysoký sklon ke vzniku elektrostatického náboje, odolnost proti fibrilaci, velký sklon ke žmolkování. Dalšími nevýhodami jsou hydrofóbnost vlákna – nepřijímá pot, studený omak u hedvábí, který se dá odstranit kadeřením.

2.2.6 Použití PA vláken

Polyamid 6 a polyamid 6.6 mají podobné použití. Používají se jako náhrada za přírodní hedvábí. Z toho vychází velké použití v punčochářském průmyslu. Z monofilu jsou vyráběny tyly. Střižová vlákna ve směsi s bavlnou jsou používána do pletených výrobků na prádlo, ve tkaninách ve směsi s vlnou se používají na plášťové a oblekové tkaniny.

V průmyslu bytových textilií jsou používána do dekoračních tkanin, ve tvaru kabílku na výrobu všívaných koberců, do vlasových potahových tkanin.

V technické oblasti jsou používána na výrobu filtrů, kartáčů, sít. Na různé technické tkaniny, ale i na výrobu pneumatických kordů, dopravních pásů, klínových řemenů, lan, šňůr, nití.[2]

PA 6 - stříž PA 6.6

Měrná pevnost za sucha [mN/tex] 400 - 600 400 - 600 Pevnost za mokra [% pevnosti za sucha] 80 - 90 80 - 90 Poměrné prodloužení za sucha [%] 30 - 60 30 - 60 Prodloužení za mokra [% prodloužení za sucha] 105 - 125 105 -125

Měrná hmotnost [kg/m³] 1,14*10³ 1,14*10³

Polymerační stupeň 100 - 200 50-100

Počáteční modul [cN/tex] 340 450

Měrný odpor [Ωm] 10¹¹ 4*10¹⁰

Tažnost [%] 23 - 55 18 - 25

Obsah vlhkosti [%] 6,25 6,25

Navlhavost [%] 8 - 8,5 8

Bobtnavost [%] 10 - 12 16

Teplota zeskelnění [°C] 50 - 60 80 - 90

Teplota fixace [°C] 185 - 195 220 - 230

Teplota žehlení [°C] 150 180 - 200

Teplota měknutí [°C] 170 - 180 220 - 230

Teplota tání [°C] 215 255 - 265

2.3 Tepelné vlastnosti vláken

Nízkomolekulární látky se v závislosti na vnějších podmínkách (teplotě a tlaku) mohou vyskytovat ve třech skupenství – pevném, kapalném a plynném. Molekuly v plynném skupenství jsou neustále v translačním pohybu. V kapalném stavu jsou částice vůči sobě vzájemně posouvány, kapalina mění svůj tvar. Protože se nemění střední vzdálenost mezi sousedními částicemi, nemění se ani hustota kapaliny. V pevné látce nejsou částice narušovány tepelným pohybem částic, vykonávají pouze vibrační pohyb, kolem rovnovážných poloh.

Jednotlivé skupenské stavy označujeme jako rozdílné fáze téže látky. Pojmy fáze a skupenství nejsou totožné. Skupenské stavy jsou tři, kdežto počet fází může být libovolný.

V rámci jednoho skupenství mohou existovat rozdílné fáze látky, lišící se uspořádáním.

Proces ve kterém se mění fáze, označujeme jako fázový přechod a teplotu, při které se tento přechod uskutečňuje, nazýváme teplotou příslušného přechodu. Při fázových přechodech se fyzikální vlastnosti látky mění skokem.

V polymerech se polymerní látka nemůže vypařovat, protože se makromolekula rozpadne před dosažením bodu varu. Nachází se tudíž pouze ve dvou skupenských stavech – kapalném a pevném. Kapalná fáze má vysokou viskozitu. V pevném stavu jsou polymery zcela nebo částečně amorfní. Fázové přechody se uskutečňují v určitém intervalu teplot.

U polymeru dochází ke změně druhu molekulárního pohybu navíc ještě v jednom případě – v oblasti skelného přechodu. Tuhý, neohebný řetězec se mění v řetězec ohebný – makromolekula podléhá konformačním změnám. Tyto změny jsou doprovázeny změnou fyzikálních vlastností. Při teplotě zeskelnění je polymer ve sklovitém stavu. Do tohoto stavu přichází polymer při ochlazování ze stavu zahřátého. Tg je podstatě teplotní interval, při němž dojde k náhlé změně na křivce teplotní závislosti některých vlastností polymeru (např. modulu pružnosti, indexu lomu, měrného objemu). Při překročení Tg se v polymerech náhle uvolní nejslabší mezimolekulové síly (Van der Waalsovy síly). Ostatní silnější vazby (vodíkové, iontové) povolí až po dalším zvyšování teploty. Teprve zahřáním nad teplotu při níž se zruší i nejsilnější vazby, přejde vlákno do viskózního (tekutého) stavu, vláknno se taví (přechod prvního řádu). Tg je důležitá pro dloužení vláken.

V souvislosti s dynamickým namáháním můžeme u některých látek zaznamenat tzv.

mechanické zeskelnění. Makromolekuly mohou být z termodynamických důvodů ohebné, ale při dynamickém experimentu je zatěžujeme s tak vysokou frekvencí, že nestačí na

mechanický podnět reagovat a chovají se jako tuhé, neohebné. Makroskopicky lze tento jev zaznamenat ve formě náhlého vzestupu hodnoty komplexního modulu. V oblasti skelného přechodu dochází k uvolnění vnitřní rotace makromolekulárních řetězců, což ovlivňuje ztrátové faktory při dynamických mechanických měřeních (ztrátový činitel tg δ nebo ztrátový modul E´´). V oblasti skelného přechodu vykazuje komplexní modul malé změny, ztrátové faktory však vykazují vrcholy.

U polymerních látek závisí průběh fázových přeměn na stupni krystalinity. U polymerů s vysokou orientací, můžeme určit teplotu tání, kterou lze považovat za přechod 1. druhu. Jedná se o teoreticky nejvyšší teplotu, při které mohou polymery existovat. Při této teplotě mizí poslední krystality krystalického polymeru a dochází k přechodu do kapalného stavu.

Minimální teplota, při které lze polymerní materiál tvarovat mechanickým způsobem se nazývá teplota měknutí. [11,14,15]

2.4 Mechanické vlastnosti vláken

Mechanické vlastnosti popisují schopnost těles změnit tvar či objem působením různých druhů vnějších mechanických sil. Vnější síla vyvolává v tělese, tedy i ve vlákně, napětí a to vede ke vzniku odpovídající deformace.

Mechanické vlastnosti textilních vláken mají velký význam nejen pro zpracování vláken v textilním průmyslu, ale i pro spotřebitele. Mezi nejdůležitější mechanické vlastnosti vláken patří: pevnost a tažnost, odolnost proti oděru, tvarovatelnost, poddajnost, mačkavost, sráživost, plstivost.

Textilní materiály jsou v praxi namáhány různým způsobem, někdy jednorázově, častěji však opakovaně. Přitom dochází ke strukturálním změnám, které se projeví ve vlastnostech vláken. Kromě mechanických vlastností se u vláken hodnotí také únava při opakovaném mechanickém namáhání. Převážně se sledují vztahy mezi působící silou a deformací vlákna.

Pro hodnocení kvality textilních vláken i jejich využití mají význam: pevnost v tahu, deformace v tahu (tažnost), pevnost v ohybu, pevnost ve smyčce, pevnost v uzlu, pevnost ve zkrutu, odolnost v oděru, odolnost proti skluzu vláken, únava vláken při opakovaném namáhání tahem, zkrutem. Tyto vlastnosti závisejí jak na chemické, tak na fyzikální struktuře vláken, na teplotě, na vlhkosti, na způsobu namáhání, rychlosti namáhání. [3]

Volí se buď jednoosé namáhání (tah, tlak) nebo víceosé namáhání (krut, ohyb). S ohledem na opakování se rozlišuje namáhání prosté a cyklické. S ohledem na čas jde o statické, časově závislé (relaxace napětí, creep) a dynamické namáhání. Záleží také na tom, zda jde o namáhání do přetrhu (ultimativní) nebo v oblastech kdy nedochází k porušení vláken.[1]

Mechanické vlastnosti můžeme rozlišovat podle toho, zda uplatňujeme v jejich popisu strukturní přístup či nikoliv. Z toho hlediska rozlišujeme:

• makromechaniku

• mikromechaniku

O makromechanice mluvíme tehdy, jestliže posuzujeme vlastnosti látky jako celku.

Neuvažujeme strukturu látky a jejich vlastnosti popisujeme tak, jako by byla homogenním kontinuem.

Mikromechanika představuje hlubší pohled na vlastnosti materiálu, při němž přihlížíme ke struktuře látky. Nabývá na důležitosti zejména u složených materiálů – kompozitů.

Dále můžeme dělit mechanické vlastnosti podle účinku vnějších sil:

1. deformační (popisují průběh deformace materiálu):

¾ elastické

¾ viskoelastické

¾ plastické

Pružná deformace vyvolaná působením určitého napětí vzniká okamžitě a je časově závislá, s časem se pak již nemění a je dokonale vratná. Deformují se valenční úhly a meziatomové vzdálenosti. Modeluje se pomocí Hookeovskou pružinou charakterizovanou modulem pružnosti E. U textilních vláken se prakticky nevyskytuje.

Viskoelastická deformace je částečně vratná a časově závislá. Tato deformace je časově zpožděná za podnětem. Modeluje se jako kombinace pružných a plastických členů.

Její typický průběh křivky se skládá z části zatížení a z části odlehčení. V odlehčeném stavu je sledován další vývoj deformace.

Plastická deformace je časově závislá a dokonale nevratná. Je způsobena nevratnými prokluzy segmentů makromolekul. Modeluje se jako píst s viskozní kapalinou charakterizovaný viskozitou η.

2. destrukční: ( např. pevnost, odolnost v oděru)

Tyto vlastnosti popisují mechanické porušení (destrukci) materiálu.

Působení vnějších sil dochází ve vláknech k trvalým strukturním změnám, které se projevují nejen změnou orientace, ale často změnou zastoupení různých fází (krystalická fáze). Tyto strukturní změny působí pochopitelně na změny mechanických projevů.

2.4.1 Pevnost a tažnost vláken

Pevnosti a deformace vláken tahem jsou nejčastěji užívané hodnoty charakterizující mechanické vlastnosti vláken.

Pevnost materiálu je definována jako největší (mezní) konvenční napětí, které způsobí rozdělení materiálu na dvě části.

Tažnost materiálu je definována jako největší protažení, kterého je dosaženo při přetrhu vzorku.

Pevnost vlákna je jeho schopnost odolávat působení vnější síly, která se snaží vlákno narušit. Pevnost a tažnost vláken závisí na struktuře makromolekul a na velikosti mezimolekulových sil poutajících makromolekuly. Pevnost a tažnost vláken se měří na různých typech dynamometrů.

V textilní praxi je pevnost v tahu označována jako pevnost a deformace v tahu jako tažnost.

Základem hodnocení mechanických vlastností vláken je jednoosá deformace tahem. Zjišťujeme vztah mezi silou a protažením vláken – pracovní diagram vláken.

Obr.č.4 Pracovní diagram vláken

Působí-li na vlákno postupně rostoucí síla, dochází k růstu prodloužení až do bodu přetrhu. Charakteristickými hodnotami pracovního diagramu je počáteční modul E (derivace v počátku) a souřadnice bodu přetrhu označované jako pevnost a tažnost.

Vlákno o délce l0 [mm] a ploše příčného průřezu S0 [mm²]působením síly F [N]

změní svoji délku na délku l [mm] a zúží svoji plochu příčného průřezu na plochu průřezu S [mm²]. Místo absolutní síly F[N] se používá relativní síla Fr [N/tex] resp. napětí σ [Pa].

Relativní síla je vyjádřena jako síla na jednotku jemnosti:

[

]

S F T

F_r F /

*ρ

=

= (1)

Napětí

Napětí σ je definováno silou F působící na jednotku průřezu S:

[

] ^{[ ]}

S

F =

= / ²

σ (2)

Závislost napětí σ na deformaci ε při konstantní rychlosti deformace, kterou značíme:

( )

σ = f , (3)

má dvě základní části. První část závislosti v oblasti nízkých deformací je pseudolineární.

Chování vlákna se v této oblasti řídí Hookovým zákonem:

(4) E… počáteční modul [MPa]

ε… deformace [mm]

Modul pružnosti

Počáteční modul je definován jako derivace pracovního diagramu v počátku. Jde o směrnici tečny v počátku k pracovnímu diagramu vláken. Modul je charakterizován jako odpor materiálu vůči deformaci. V různých typech mechanických zkoušek lze stanovit různé moduly, např. modul v tahu, modul ve smyku. Čím je modul látky vyšší, tím vyššího napětí je třeba k dosažení dané deformace.

Ve vláknech existuje velká anizotropie, což se projevuje tím, že moduly ve směru osy vlákna jsou řádově větší než moduly ve směru kolmém na osu vláken.

U polymerních materiálů se hodnoty modulu obvykle vyjadřují v jednotkách MPa.

ε σ = E*

Tažnost

Protažení, kterého materiál dosáhne při přetrhu. Deformace vlákna ε jako důsledek působení napětí je dána poměrem prodloužení ∆l ku původní délce l0. Při deformaci tahem se vyjadřuje vztahem:

(5)

l….délka vlákna [mm]

l0….upínací délka [mm]

∆l…absolutní prodloužení [mm]

Druhá část závislosti napětí na deformaci je nelineární. Vlákno se chová jako viskoelastické, až viskózní těleso. Viskoelastické vlastnosti vláken lze popsat použitím různých typů modelů.

2.4.2 Pružnost vláken

Pružnost vláken je schopnost vláken ve větší nebo menší míře se vracet po deformaci do původních rozměrů a původního tvaru. Cyklickým zatěžováním a odlehčováním vláken zůstává určitá deformace vláken trvale. Dalším zatěžováním neprobíhá proces deformace vlákna stejně a po uvolnění napětí se vlákno nevrací zpět po původní cestě, ale cestou jinou. Dokonale elastické vlákno by se vracelo reverzibilně zpět stejnou cestou do původního energetického stavu i do původních rozměrů. U nedokonale pružných vláken se uvolňuje jen část energie vložené do vlákna při deformaci.

Křivky napětí – tažnost jsou při zatěžování vlákna odlišné od křivek napětí – tažnost při uvolňování napětí a vzniká hysterezní smyčka. Znázorňuje závislost deformace na napětí v průběhu jeho stoupání a klesání. Představuje rovnovážné stavy deformace, které se při růstu zatížení liší od stavů při poklesu zatížení. Při zmenšování napětí ( horní oblouk smyčky) má deformace při úplném odstranění zatížení určitou hodnotu ε1 – tzv.

zbytkovou energii, která se s časem postupně zmenšuje. Plocha smyčky hystereze udává rozdíl v množství spotřebované a navrácené energie. Čím je plocha smyčky větší, tím více energie zůstává po deformaci ve vzorku, ta se mění v teplo. [3,15]

( )

[ ]

* ²

0 2 0

0 l

l l l

l −

∆ = ε =

Obr.5. Hysterezní křivka

2.5 Dynamické mechanické vlastnosti

Textilní vlákno můžeme periodicky namáhat, v každé okamžiku můžeme měřit jak napětí, tak deformaci. Použitá síla působící na deformaci vlákna, roste od nuly do maxima, vrací se k nule a pak roste opět do maxima v opačném směru. Pro zjednodušení můžeme takové periodické změny vyjádřit sinusovými nebo kosinusovými kmity. [3]

Pokud je elastický materiál podroben časově závislé deformaci ε(t) je odpovídající napětí σ(t) rovno:

(6)

Pro cyklické namáhání sinusového typu je napětí a deformace dána vztahem:

( )

(

)

σ = = (7)

( )

(

)

ε =

ω ... frekvence oscilace [Hz]

σ0 ...amplituda napětí [Pa]

ε0...deformace [mm]

t ... čas [s]

Deformace je ve fázi s napětím.

Poměr amplitudy a deformace udává absolutní modul E, který je funckí frekvence a teploty.

(8)

( )

( )

σ = *

0 0

0 ε

=σ E

Viskózní látce podrobené časově závislé cyklické deformaci ε(t), bude odpovídat napětí

( ) ( )



 



 +

=



 



 +

=

= *sin * 2

* 2 sin

*

*

*

* cos

*

*

*ω ε₀ ω η ω ε₀ ω π σ₀ ω π

η

σ t t t t (9)

η....viskozita [Pa.s]

Obr.č.6. Znázornění fázového posunu napětí a deformace při periodickém dynamickém namáhání

Odezvu viskoelastické látky na působení periodickými kmity napětí σ je možno rozdělit na dvě části: na elastickou odezvu, která je ve fázi s napětím a viskózní odezvu, která je v kvadratuře s napětím.

Modul se může rozložit na dvě složky, z nichž jedna je ve fázi s deformací (reálná část) E´ a druhá je zpožděná o π/2 (imaginární část) E´´.

(10) (11) (12) (13)

Obr.č.7. Rozklad absolutního modulu na reálnou a imaginární složku

Akumulovaným modulem (modulem pružnosti) je složka E´, ta je mírou ideálně elastického odporu vlákna proti mechanickému namáhání za daných podmínek. Tento

δ δ sin cos

´

´´

*

´

*

´´

*

´´2

´2

*

*

E E

E E

E E E

E

E i E E

=

=

+

=

= +

=

modul je mírou části energie, která se v látce při deformaci akumuluje a po odlehčení se využívá pro návrat do původního stavu.

Složka E´´ je ztrátový modul, imaginární složka komplexního modulu pružnosti, je mírou mechanických ztrát. Ztrátový modul je mírou ztráty energie při deformaci viskoelastické látky. Při deformaci se z důvodu překonávání vnitřního tření část energie mění na teplo.

Tyto moduly jsou závislé na frekvenci.

Textilní vlákna nejsou dokonale elastická. Deformace se více či méně zpožďuje za napětím. Toto zpoždění lze vyjádřit ztrátovým úhlem δ. Míra mechanických ztrát je vyjádřena poměrem rozptýlené energie a energie, která se uchovává, což je fázový posun (ztrátový činitel tg δ). Úhel δ je nazýván ztrátovým úhlem.

δ δ δ

cos

* sin

*

´

´´

*

*

E E E

tg = E = (14)

2.5.1 Dynamicko mechanická spektra

Měření dynamicko – mechanických spekter má velmi široké uplatnění při zkoumání struktury vláken. Dynamická spektra polymerů jsou obrazem pohybu makromolekulového řetězce, nebo jeho částí. Závisí především na ohebnosti molekul polymeru. Ohebnost molekul polymeru závisí na struktuře polymerního řetězce a intenzitě mezimolekulových sil. Tvar dynamicko mechanického spektra se mění vlivem teploty a času krystalizace.

Hodnoty dynamických modulů se zjišťují v závislosti na teplotě při konstantní frekvenci namáhání nebo při konstantní teplotě v závislosti na frekvenci. Dynamicko mechanickým měřením získáme průběhy obou složek komplexního modulu v závislosti na teplotě nebo na čase. Modul pružnosti s teplotou mírně klesá, v přechodových oblastech dochází k prudkému poklesu.

Stav amorfních oblastí, stupeň krystalinity a stupeň orientace ve zkoumaných vláknech můžeme kvalitativně posoudit na základě polohy tepelného rozmístění maxim, jejich intenzity a šířky.

Vyskytují se dvě hlavní maxima a to v oblasti Tg a Tm. Kde Tg je teplota zeskelnění a Tm je teplota tání. Můžeme předpokládat, že vysokotepelné maximum Tm, které je charakteristické pro oblast tavení, je podmíněno vzájemným třením molekul.

Střednětepelné maximum, charakteristické pro oblast Tg, je podmíněno pohybem segmentů v amorfních oblastech struktury.

Poloha přechodových oblastí se může měnit vlivem změny rychlosti ohřevu materiálu, nebo vlivem změny frekvence.

2.6 Metody termické analýza

Termická analýza slouží ke studiu fyzikálních, chemických a některých dalších změn materiálu v závislosti na teplotě. Jsou to metody sledující změny zkoumaného materiálu při řízené změně teploty okolí.

V současnosti existuje několik termografických metod, které slouží ke sledování teplotně závislých změn materiálu. K nejčastěji používaným se řadí následující metody:

¾ diferenční termická analýza – DTA

¾ kalorická diferenční termická analýza – CDTA

¾ entalpická termická analýzy - metoda DSC

¾ diferenční dynamická kalorimetrie

¾ termogravimetrie

¾ dilatometrie

¾ mechanometrie – metoda DMA

2.6.1 Přístroje pro měření dynamicko – mechanických charakteristik 2.6.1.1 DMA firmy R.M.I.

Dynamická mechanická analýza je nedílnou součástí termických analýz. Tato metoda měření umožňuje identifikovat řadu přechodů v polymerních materiálech. DMA patří mezi nejcitlivější metodiky, které jsou schopny charakterizovat a interpretovat mechanické chování materiálu. Sleduje odezvy materiálu na vybuzené kmity. Podstata této metody je založena na sledování viskoelastické odezvy materiálu, který je namáhán malým oscilačním napětím. Metoda rozlišuje pro viskoelastickou odezvu materiálu dvě složky modulu. Reálnou část, která představuje elastický modul (E´) a imaginární část, která představuje útlumovou nebo viskozitní složku (E´´). Tato separace měření do dvou složek popisuje dva nezávislé procesy uvnitř materiálu: elasticitu (vratná složka) a viskozitu (ztrátová energie).

Základem přístroje jsou dvě vyvážená rovnoběžná ramena, uložená na speciálních čepech, umístěných blízko středu ramen. Čepy jsou vysoce přesné torzní pružiny. Mezi ramena se do speciálního držáku upíná vzorek, který vytváří rezonanční systém. Tímto systémem je myšlena rezonanční frekvence závislá na modulu a geometrii vzorku. Celé zařízení je umístěno v termostatovaném prostředí, což umožňuje jak izotermní měření tak měření při změně teploty, obvykle od –150° až 500° C

Deformace vzorku je způsobena dvěma protichůdnými momenty stejné velikosti, které působí na protilehlé konce vzorku upnutého do svorek.

K určení průběhu modulu a ztrátového činitele tg δ je možno aplikovat dvě různé metody. První metoda je přímé určení modulu z amplitudy kladné a záporné půlvlny síly a deformace. Druhá metoda je založena na zpracování dat pomocí Fourierové transformace, výsledkem je průběh modulu a ztrátového úhlu v závislosti na teplotě nebo čase pro každou harmonickou složku.

Pomocí DMA můžeme charakterizovat polymerní materiál závislostí modulu a útlumu, nebo-li ztrátového úhlu na teplotě popřípadě na čase. Tím poskytuje základní údaje o mechanických vlastnostech, které mají přímý vztah ke zpracovatelnosti a použitelnosti výrobku.

Pomocí DMA můžeme určit:

¾ Teploty skelného přechodu, bodu měknutí a tání

¾ Mechanické ztráty v materiálu (charakterizují tlumící schopnosti)

¾ Tečení metodou krípu (změna rozměrů materiálu při zatížení)

¾ Stupeň krystalizace, míra orientace, bod zesítění

¾ Dlouhodobou teplotní stabilitu (stárnutí materiálu)

Standardní deformační mody:

¾ měření v tahu

¾ měření v tlaku

¾ měření ve smyku

¾ jednoduchý a dvojitý vetknutý nosník

¾ tříbodový ohyb

3. Experimentální část

3.1 Příprava a průběh experimentu 3.1.1 Příprava vzorků

Experiment byl proveden na polyamidových vláknech (PA) a polyesterových vláknech (PES). Jedná se o vlákna dloužená, nekonečná. Jemnost vláken byla zjištěna na přístroji Vibroskop, pro PA byla jemnost T = 19,06 dtex a pro PES T = 4,73 dtex.

Materiály byly fixovány horkým vzduchem v sušící komoře po dobu 45 minut, při různých teplotách. PA byl fixován při 120°, 140°, 160°C a PES při teplotách 150°, 165°, 180°. K experimentu byly použity pro srovnání i nefixované vzorky PA a PES.

Takto připravené materiály byly pro upnutí do čelistí v přístroji DMA DX04T připraveny v papírovém rámečku o upínací délce 1cm.

Tabulka 3. :Jemnosti naměřené na přístroji Vibroskop

3.1.2. Měření na přístroji LabTest V.2.5 3.1.2.1 LabTest V.2.5

Jedná se o stolní univerzální zkušební stroj. Pomocí přístroje LabTest V.2.5 se zjišťuje pevnost v tahu a tažnost zkoumaných materiálů. Stroj je určen pro mechanickou zkoušku v tahu, tlaku či ohybu nejen u vzorků, ale i u celých výrobků.

PAD PES T [dtex] T [dtex]

1 20,91 4,61

2 19,71 4,32

3 17,65 4,74

4 20,79 5

5 18,52 4,55

6 18,08 5,2

7 18,24 4,58

8 17,39 4,76

9 20,38 4,67

10 18,9 4,82

x 19,06 4,73

Obr.č.9 Schéma stroje LabTest V.2.5 [13]

Legenda:

1. rám 6. dolní doraz

2. horní doraz 7. dolní čelist

3. posuvný příčník 8. světelná kontrolka zapnutí stroje 4. horní čelist 9. hlavní vypínač

5. ovládání

Obr.č.10. LabTest V.2.5

3.1.2.2 Experiment na přístroji LabTest V.2.5

Pomocí přístroje LabTest V.2.5 byla zjištěna pevnost, tažnost a počáteční modul pružnosti měřených materiálů. Experiment byl prováděn na fixovaných i nefixovaných polyesterových a polyamidových vláknech. Před upnutím vláken do čelistí se na jejich konec zavěsilo závažíčko o hmotnosti 300 mg, aby se docílilo stejného předpětí vláken.

Pro každý vzorek bylo provedeno 50 měření, do přístroje DMA pak byla dosazena průměrná hodnota počátečního modulu.

Průměrná hodnota byla zjištěna statistickým zpracováním dat v programu Labortech 2.1. Vzorky byly namáhány při konstantní rychlosti posunu čelistí s upínací délkou 1cm.

Tabulka 4: Vstupní hodnoty zadávané do přístroje Labortech 2.1.

Tabulka 5: Výsledné průměrné hodnoty pro PES vlákna

Tabulka 6: Výsledné průměrné hodnoty pro PAD vlákna

PAD

120 °C 140 °C 160°C bez fixace

Fmax [N] 0,288 0,287 0,214 0,33

E [Gpa] 15,36 18,17 18,6 11,51

Amax [%] 40,17 29,43 19,96 39,54

Výstupní hodnoty: Maximálně dosažená síla Fmax [N], Tažnost při maximálně dosažené síle Amax [%], Modul pružnosti E [MPa], Čas t [s]

Klimatické podmínky: Teplota pracovního prostředí 10 – 35°C Vlhkost pracovního prostředí 20 – 70 %

Závislost F max na teplotě

0,02 0,07 0,12 0,17

140 150 160 170 180 190

Teplota fixace [°C]

Maximální síla [N]

PES 150 °C PES 165,5 °C PES 180 °C

Graf 1: Maximálně dosažená síla PES vláken v závislosti na teplotě fixace

Z tohoto grafu můžeme vyčíst, že maximální síla byla dosažena u PES vláken fixovaných při 150 °C. U dalších dvou teplot nastal mírný pokles dosažené síly.

Prifil vyorku kulatina

Upínací délka 1 cm

Rychlost posuvu příčníku 10 mm/min Rychlost návratu čelistí 100 mm/min

Síla F1 0,05 N

Síla F2 0,1 N

PES

150 °C 165,5 °C 180 °C bez fixace

Fmax [N] 0,169 0,147 0,144 0,147

E [Gpa] 0,267 0,199 0,19 0,75

Amax [%] 4,67 7,22 3,76 1,88

Závislost E na teplotě

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

140 160 180 200

Teplota fixace [°C]

Modul pružnosti [GPa]

PES 150 °C PES 165,5 °C PES 180 °C

Graf 2: Modul pružnosti PES vláken v závislosti na teplotě fixace

Ze závislosti modulu pružnosti na teplotě fixace vyplývá, že modul pružnosti klesá s rostoucí teplotou.

Závislot Amax na teplotě

2 4 6 8 10

140 150 160 170 180 190

Teplota fixace [°C]

Maximální tažnost [%]

PAD 150 °C PAD 165,5 °C PAD 180 °C

Graf 3: Tažnost při maximálně dosažené síly PES vláken v závislosti na teplotě

Nejvyšší tažnost byla dosažena při teplotě fixace 165,5 °C , naopak nejnižší při teplotě 180°C.

Závislost F max na teplotě

0,2 0,23 0,26 0,29

100 110 120 130 140 150 160 170 Teplota fixace[°C]

Maximální síla [N]

PAD 120°C PAD 140 °C PAD 160°C

Graf 4: Maximálně dosažená síla PAD vláken v závislosti na teplotě

Maximální dosažené síly byly zjištěny u PAD, který byl fixován při teplotách 120° a 140°

C. U těchto teplot byly zjištěny stejné hodnoty sil. Při teplotě 160° C došlo ke snížení síly.

Závislost E na teplotě

12 14 16 18 20

110 120 130 140 150 160 170 180 190 Teplota fixace [°C]

Modul pružnosti [GPa]

PAD 120 °C PAD 140 °C PAD 160 °C

Graf 5: Modul pružnosti PAD vláken v závislosti na teplotě

Na rozdíl od PES vláken, zde můžeme pozorovat nárůst modulu pružnosti při rostoucí teplotě fixace.

Závislost A max na teplotě

10 20 30 40 50

110 120 130 140 150 160 170

Teplota fixace [°C]

Maximální tažnost [%]

PAD 120 °C PAD 140 °C PAD 160 °C

Graf 6: Tažnost při dosažení maximální síly PAD vláken v závislosti na teplotě

Maximální tažnosti bylo, u PAD vláken, dosaženo při teplotě 120°C. U následujících teplot dochází k poklesu tažnosti.

3.1.3. Měření na přístroji DMA DX04T

Princip spočívá v mechanickém namáhání vzorku definovanou silou a měřením deformační odezvy při dané teplotě. Z průběhů napětí a deformace můžeme získat závislosti modulu pružnosti a ztrátového úhlu na teplotě i na čase, frekvenci působící síly, velikosti deformace. Se získaných průběhů můžeme určit charakteristické vlastnosti materiálu. Přístroj umožňuje měřit ve všech standardních deformačních modech jako jsou tah, tlak, tříbodový ohyb, jednoduchý a dvojitý vetknutý nosník a smyk. Pro experiment, provedený na DMA, bylo využito měření charakteristik vlákenného materiálu v tahu.

Pomocí dynamicko mechanického analyzátoru je možné provádět zkoušky dle následujících měřících programů:

Průběh síly:

¾ sinus

¾ trojúhelník

¾ obdélník

¾ rostoucí i klesající pila

¾ součet více sinusovek

Deformační mod:

¾ tlak (compression)

¾ tah

¾ tříbodový ohyb

¾ jednoduchý vetknutý nosník

¾ dvojitý vetknutý nosník

¾ smyk

Způsoby vkládání síly na vzorek:

¾ měření s konstantní silou a nastavitelným limitem pro deformaci

¾ měření s konstantní deformací a nastavitelným limitem pro sílu Měřící mody:

¾ předběžná zkouška (preview)

(jedna frekvence, jedna amplituda síly, bez teplotního programu)

¾ teplotní scan (temperature scan)

(jedna frekvence, jedna amplituda síly, teplotní program)

¾ frekvenční scan (frequency sweep scan)

(více frekvencí, jedna amplituda síly, teplotní program)

¾ deformační scan (strain sweep scan)

(jedna frekvence, více amplitud síly, teplotní program)

Teplotní program

¾ lineární ohřev, chlazení

¾ izoterma Zadání parametru vzorku

¾ direct – přímé zadání konstanty úměrnosti mezi modulem E a podílem síly F a deformace X.

¾ By proportion – tato volba slouží k výpočtu konstanty úměrnosti mezi modulem E a podílem síly F a deformace X ze znalosti geometrických rozměrů a tvaru vzorku

¾ From measurement – tato volba se doporučuje, tehdy jestliže známe příslušný modul materiálu při dané výchozí teplotě (z tabulek, měření na trhacím stroji)

Pro náš experiment bylo použito dosazení příslušného modulu při dané výchozí teplotě. Hodnoty statického modulu byly zjištěny na měřícím přístroji Labor Tech. Z těchto naměřených hodnot přístroj DMA DX04T vypočítá, bez ohledu na deformační mod a

rozměry vzorku, konstantu úměrnosti mezi modulem E a podílem síly F a deformace X ze skutečně změřených hodnot síly a deformace.

Základní technické parametry dynamicko – mechanického analyzátoru DMA DX04T:

¾ rozsah deformace: od –2 do +2 mm

¾ rozsah síly: od –10 N do 10 N

¾ rozsah frekvencí: 0,0001, 0,0002, 0,0005, 0,001, 0,002, 0,005, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 Hz

¾ rozsah teplot: od –120 °C do 400 °C

¾ rychlost ohřevu od 0,1 do 25 °C/min

¾ rychlost ochlazení od 0,1 až do 10 °C/min

¾ rozsah modulu pružnosti od 10² do 10¹² Pa

¾ rozsah činitele ztrát (tg δ): od 0,001 do 50

Po odstartování měření DMA otestuje parametry vzorku, spustí generátor síly / deformace a začne provádět teplotní program.

Vzorek je umístěn v peci a temperován na požadovanou teplotu. Pomocí lineárního motoru je na vzorek aplikována požadovaná síla. Skutečná velikost síly je přesně měřena tenzometrem a deformace vzorku je snímána pomocí HLDS, což je speciální měřič s vysokou přesností a linearitou. Signály síly a deformace jsou po digitalizaci zpracovány řídící elektronickou jednotkou a s dalšími daty jsou odeslány do PC, kde je průběžně zpracovává program DMA Grapher.

Obr.č.8 Přístroj DMA DX04T

3.1.3.1 Experiment na přístroji DMA DX 04T

Připravené vzorky byly umístěny do papírového rámečku o velikosti 1*1 cm, ten sloužil k lepšímu upnutí vzorku do přístroje. V tomto experimentu byly zkoušeny dva druhy materiálu. Pro měření byl zvolen měřící program tohoto typu:

Tabulka 7: Měřící program pro vzorky polyamidových vláken PA fixovaný při teplotách 120°,140°, 160° C po dobu 45min

Průběh síly sinus

Deformační mod tah

Způsob vkládání síly měření s konstantní silou

Měřící mod teplotní scan

Amplituda síly max: -200, min: –400 mN

Deformační limit 2mm

Frekvence 0,001, 0,1, 1 Hz

Teplota 200 °C

Rychlost ohřevu 3 °C/min

Tabulka 8. Měřící program pro vzorky polyesterových vláken

Na vzorky působily tři různé frekvence. Teploty, při kterých se materiály měřily, byly voleny o něco nižší, než teplota tání zkoumaného vlákna. U PES bylo měření provedeno při teplotě 230° C, u PAD při teplotě 200° C. Každý vzorek byl proměřen třikrát při stejných měřících podmínkách. Tímto měřením jsme získaly průběhy ztrátového úhlu tg δ, dynamického modulu E, reálné části modulu E´, imaginární části modulu E´´

jako funkce času.

Data získaná experimentem byla vyhodnocena pomocí programu DMA Grapher.

PES fixovaný při teplotách 150°,165°, 180° C po dobu 45min

Průběh síly sinus

Deformační mod tah

Způsob vkládání síly měření s konstantní silou Měřící mod teplotní scan

Amplituda síly max: -135 mN , min: -210 mN Deformační limit 2mm

Frekvence 0,001, 0,1, 1 Hz

Teplota 230 °C

Rychlost ohřevu 3 °C/min

Vliv teploty na srážení vláken

Tabulka 9: Výsledky srážení PES Tabulka 10: Výsledky srážení PAD

Graf 7: Závislost srážení PES vláken na teplotě

Graf 8: Závislost PAD vláken na teplotě

POLYESTER počet

měření TEPLOTA

n 150 165 180 1 35,8 35,2 34,8 2 35,6 35 34,7 3 35 34,8 34,9 4 35,4 35 35 5 35,4 35,1 35,1 6 35,7 35,2 34,7 7 35,3 35 35,2 8 35,2 34,9 34,9 9 35,7 35,3 34,8 10 35,9 35,1 34,7

x 35,5 35,06 34,88 Z /%/ 11,25 12,35 12,8

POLYAMID počet

měření TEPLOTA n 120°C 140° C 160°C 1 39,05 38,00 38.3 2 37.6 38.2 38,00 3 37.9 37.1 38.1 4 37.2 36.4 35.4 5 38.2 38.2 38.2 6 37.8 36.7 38.8 7 36.9 37.5 39.2 8 38.3 37.2 38.5 9 39.2 35.5 37.5 10 37.2 38.5 38.4

x 36.98 37.33 38,04 Z [%] 7,55 6,68 4,90

Vliv teploty na sráživost vláken

11 11,5 12 12,5 13

140 150 160 170 180 190

Teplota /°C/

Sráživost /%/

Vliv teploty na srážlivost vláken

0 2 4 6 8

100 120 140 160 180

Teplota [°C]

Sráživost [%]

Bylo prováděno měření u fixovaných PES a PAD vláken, při kterém se zjišťoval teplotní vliv na zkracování těchto vláken. U obou materiálů bylo provedeno 10 měření, z nichž byla zjištěna průměrná procentuální hodnota zkrácení. Původní délka vláken byla 40 cm. Působením horkého vzduchu v sušící komoře po uplynutí 45 minut, byla opět změřena délka vláken. U PES vláken docházelo ke zvyšování sráživosti v závislosti na teplotě fixace, u PAD vláken tomu bylo naopak.

Při měření na přístroji DMA se u některých grafů objevovaly skoky na křivce, ty mohly být způsobeny vlivem srážení materiálů.

3.1.3.2 Dynamicko – mechanická analýza polyamidových vláken

Následující grafy znázorňují závislosti činitele ztrát Tan Delta [-], modulu pružnosti E [GPa], reálné složky modulu pružnosti E´ [GPa] a imaginární složky modulu pružnosti E´´

[GPa] na teplotě. V některých grafech se jednotlivé křivky vyskytují po dvou. Modul pružnosti se počítá odděleně pro kladné a záporné půlvlny a činitel ztrát pro náběžné a sestupné hrany signálu. Pokud jednotlivé půlvlny a hrany signálu budou co nejvíce podobné, můžeme pak posoudit správnost měření.

Pro vytvoření závislosti bylo každé měření provedeno třikrát. Hodnoty ze všech tří měření byly zprůměrovány. Následující tabulky obsahují číselné hodnoty, které jsou průměrem hodnot odečtených z grafů, naměřených na přístroji DMA DX 04T. Tyto závislosti byly zjišťovány pro polyamidová vlákna, která byla fixována při teplotách 120°

C, 140°C, 160°C. Při měření byl PAD fixovaný při 120°C namáhán frekvencí 1 mHz, 0,1Hz, 1Hz. Z těchto kmitočtů byla vybrána nejoptimálnější hodnota frekvence. Jako optimální se jevila hodnota 0,1Hz, proto PAD fixovaný při 140° C, 160° C byl namáhán už jen při frekvenci 0,1Hz. Pro porovnání byl také naměřen nefixovaný PAD, který byl opět namáhán kmitočtem 0,1Hz.

Graf 1: Teplotní závislost průběhu modulu pružnosti a činitele ztrát

Zde je graf závislosti modulu pružnosti a činitele ztrát na teplotě vypočítaný přímým odečtem ze scanů. Křivky jsou po dvou, neboť modul se počítá odděleně pro kladné a záporné půlvlny a činitel ztrát pro náběžné a sestupné hrany signálu. Schopnost dvojic křivek je názornou metodou pro posouzení správnosti měření.

Protože vzorek byl měřen v tahu, zásadní vliv na odchylky křivek ztrátového činitele má odlišná rychlost relaxace materiálu při odlehčení v porovnání s rychlostí deformace při zatížení.

Tabulka 11: Průměrné hodnoty odečtené z grafu

0,1 Hz

max min

záporná půlvlna kladná půlvlna náběžná hrana sestupná hrana sestupná hrana T [°C] E [GPa] T [°C] E [GPa] T [°C] Tg D [-] T [°C] Tg D [-] T [°C] Tg D [-]

PAD 120°C 58 15,32 60 13,4 84 0,3 79 0,15 125 0,017 PAD 140°C 60 19,3 61 16,3 71 0,32 66 0,16 121 0,013 PAD 160°C 55 19,94 56 17,2 68 0,297 67 0,15 120 0,013

Graf 9: Modul pružnosti záporné půlvlny v závislosti na teplotě

Z této závislosti zjišťujeme, že PAD 160°C má při nízké teplotě skelného přechodu nejvyšší modul pružnosti. Podobnou hodnotu modulu pružnosti, ale při vyšší teplotě zeskelnění má i PAD 140°C . Naopak nejnižší hodnota E byla zjištěna u PAD 120°C.

Graf 10: Modul pružnosti kladné půlvlny v závislosti na teplotě

Modul pružnosti kladné půlvlny nabývá nejvyšší hodnoty opět u PAD 160°C, při nejnižší hodnotě skelného přechodu. PAD 120°C dosahuje nejnižší hodnoty modulu pružnosti.

Graf 11: Ztrátový činitel náběžné hrany v závislosti na teplotě

Závislost záporné půlvlny E na teplotě

12 14 16 18 20

54 55 56 57 58 59 60 61

Teplota [°C]

Modul pružnosti [GPa]

PAD 120° C, 0,1Hz PAD 140° C, 0,1Hz PAD 160°C, 0,1Hz

Závislost náběžné hrany Tan Delta na teplotě

0,29 0,3 0,31 0,32 0,33

55 60 65 70 75 80 85 90

Teplota [°C]

Tan Delta [-]

PAD 120° C, 0,1Hz PAD 140° C, 0,1Hz PAD 160° C, 0,1Hz

Závislost náběžné hrany Tan Delta na teplotě

0,29 0,3 0,31 0,32 0,33

55 60 65 70 75 80 85 90

Teplota [°C]

Tan Delta [-]

PAD 120° C, 0,1Hz PAD 140° C, 0,1Hz PAD 160° C, 0,1Hz

Ztrátový činitel Tan Delta náběžné hrany je nejvyšší pro PAD 140°C , naopak nejnižší u PAD 160°C.

Graf 12: Lokální maximum sestupné hrany ztrátového činitele v závislosti na teplotě Pro lokální maximum sestupné hrany Tan Delta byla naměřena nejvyšší hodnota pro PAD 140°C. Hodnoty Tan Delta pro PAD 120°C a 160°C jsou přibližně stejné, dosahují jí jen při jiných teplotách.

Graf 13: Lokální minimum sestupné hrany ztrátového činitele v závislosti na teplotě V lokálním minimu sestupné hrany ztrátového činitele nabývá nejvyšší hodnotu u PAD 120°C. U dalších dvou materiálů jsou tyto hodnoty podobné.

Závislost max sestupné hrany Tan Delta na teplotě

0,145 0,15 0,155 0,16 0,165

65 70 75 80

Teplota [°C]

Tan Delta [-]

PAD 120° C, 0,1Hz PAD 140°C, 0,1Hz PAD160°C, 0,1Hz

Závislost min sestupné hrany Tan Delta na teplotě

0,01 0,012 0,014 0,016 0,018

119 120 121 122 123 124 125 126

Teplota [°C]

Tan Delta [-]

PAD 120°C, 0,1Hz PAD 140°C, 0,1Hz PAD 160°C, 0,1Hz

Graf 2: Teplotní závislost reálné a imaginární složky modulu pružnosti

Tento graf je závislost reálné a imaginární složky modulu pružnosti na teplotě na teplotě vypočítaný přímým odečtem ze scanů. Křivky jsou opět po dvou z výše uvedených důvodů.

Na křivce imaginární složky modulu pružnosti je proveden odečet teploty skelného přechodu Tg z jejího maxima.

Tabulka12: Průměrné hodnoty odečtené z grafu

0,1 Hz

záporná půlvlna záporná půlvlna záporná půlvlna kladná půlvlna kladná půlvlna max min

T

[°C] E´

[GPa] T

[°C] E´

[GPa] T

[°C] E´´

[GPa] T

[°C] E´´

[GPa] T

[°C] E´´

[GPa]

PAD 120°C 61 14,91 59 38,55 71 3,61 70 2,28 120 0,21 PAD 140°C 60 19,1 61 15,57 63 4,95 63 3,06 118 0,16 PAD 160°C 54,7 19,58 55,7 15,7 60 4,77 64 2,74 114 0,28