Fakulta textilní
Vliv konstrukce tkaniny tkané z multifilu na mechanicko-fyzikální
vlastnosti tkanin
Diplomová práce
Liberec 2019 Bc. David Kajanovič
mechanicko-fyzikální vlastnosti tkanin
Diplomová práce
Studijní program: N3106 – Textilní inženýrství
Studijní obor: 3106T017 – Oděvní a textilní technologie Autor práce: Bc. David Kajanovič
Vedoucí práce: Ing. Brigita Kolčavová Sirková, Ph.D.
multifilament yarn on mechanical-physical properties of fabrics
Master thesis
Study programme: N3106 – Textile Engineering
Study branch: 3106T017 – Clothing and Textile Engineering Author: Bc. David Kajanovič
Supervisor: Ing. Brigita Kolčavová Sirková, Ph.D.
Poděkování bych směřoval celé katedře textilních technologií. Prvně laborantce paní Ing. Řezníčkové za rady ohledně veškerých přístrojů v laboratoři.
Dále bych chtěl poděkovat paní Ing. Mertové a Ing. Novákové za pomoc při vyhledávání řešení ohledně měření na přístrojích a za vysvětlení programů spojených s vyhodnocováním výsledků. A především bych chtěl poděkovat mé vedoucí práce paní Ing. Kolčavové Ph.D. za nesmírnou trpělivost při opravování a pomoc v případě mé nedokonalé formulace vět.
Abstrakt
Kapitola mechanicko-fyzikální vlastnosti je velmi rozsáhlý pojem a zahrnuje širokou škálu vlastností. Mechanické vlastnosti textilií jsou popsány jako odezva na mechanické působení vnějších sil. Jedná se o následující síly: tah, tlak, ohyb, krut a střih.
Tato práce je zaměřena na analýzu pevnosti tkanin vyrobených ze skaných multifilamentů. V rámci rešeršní části diplomové práce jsou uvedeny přístupy modelování pevnosti a tažnosti různých autorů. Jedním z autorů zabývajícím se modelování pevnosti a tažnosti tkanin byl Peirce, jehož modely byly dále modifikovány jinými autory. Další autoři používají různé nástroje k modelování např. neuronové sítě, nebo se zakládají na statistice a pravděpodobnosti. Většina modelů vychází z geometrických vlastností tkanin (vazba, dostava, setkání atd.) a samotných vlastností přízí (pevnost, tažnost, tuhost atd.). Validace výsledků experimentálně naměřené pevnosti tkaniny vyrobené z multifilamentů s různou úrovní zákrutu bude srovnávána s teoreticky predikovanou pevností tkaniny dle modelu (Kovář [25]), který vychází ze součtu pevností vstupních přízí, v případě diplomové práce se jedná o vstupní multifilamenty s různou úrovní zákrutu v osnově i útku.
V experimentální části bylo testováno 15 různých tkanin s různými dostavami a rozdílnými zákruty multifilamentu ve směru útku. Osnovní multifilamenty měly pouze ochranný zákrut.
Abstract
The chapter of mechanical-physical properties is a very large term and includes a wide range of properties. The mechanical properties of textiles are described as response to the mechanical action of external forces. These are the following forces: strain, pressure, bend, torsion and cut. This work is focused on the strength analysis of fabrics made from twisted multifilaments. In the research part of the thesis are presented approaches of modeling the strength and ductility of various authors. One of the authors dealing with the strength and ductility modeling of fabrics was Peirce, whose models were further modified by other authors. Other authors use different tools to model eg.
neural networks, or they are based on statistics and probability. Most models are based on the geometrical properties of the fabrics (weave, density, crimp etc.) and the properties of the yarns (strength, ductility, stiffness, etc.). Validation of results of experimentally
measured strength of fabric made from multifilaments with different twist level will be compared with the theoretically predicted strength of the fabric according to the model (Kovář,[25]), which is based on the sum of the input yarn strengths, in the case of the thesis it is the input multifilaments with different twist levels in the warp and weft.
In the experimental part were tested 15 different fabrics with different densities and different twist of multifilaments in the weft direction. The warp multifilaments had only a protective twist.
Klíčová slova
Pevnost, tkaniny, dostava, multifilament, zákrut, geometrie tkaniny, tahové křivky
Key words
Strength, fabrics, density, multifilament, twist, fabric geometry, tension curves
Obsah
1. Rešerše ... 11
2. Plošná geometrie tkanin ... 13
2.1. Vstupní materiál ... 13
2.1.1. Jemnost, zaplnění, měrná hmotnost a průměr nitě ... 13
2.1.2. Vlastnosti polypropylenu ... 16
2.1.3. Zákrut ... 16
2.2. Vazba tkaniny ... 17
2.3. Dostava tkaniny ... 19
2.3.1. Limitní a optimální (podle hustoty tkaniny) dostava nití ve tkanině ... 21
3. Prostorová geometrie tkaniny ... 22
3.1. Vliv deformace průřezu multifilamentu na jeho parametry ... 23
3.2. Zvlnění nitě ve tkanině ... 25
4. Mechanické vlastnosti ... 27
4.1. Pevnost a tažnost ... 28
4.1.1. Pevnost a tažnost délkových vlákenných útvarů ... 28
4.1.2. Pevnost a tažnost tkanin ... 29
5. Experimentální část ... 33
5.1. Experimentální hodnocení vstupního materiálu ... 34
5.1.1. Hodnocení zákrutu vstupního multifilamentu ... 35
5.2. Výroba experimentální sady vzorků tkanin ... 39
5.2.1. Proces tkaní ... 40
5.2.2. Experimentální zjišťování pevnosti tkanin... 41
5.2.3. Výpočet teoretické pevnosti tkanin a koeficientu využití pevnosti multifilamentu ve tkanině……….. ... 44 5.2.4. Hodnocení pevnosti tkanin využitím tahové křivky... 50
5.2.5. Vyjádření prostorové geometrie tkaniny na základě příčných řezů tkaninou ... 53
6. Závěr ... 58
Seznam použitých symbolů a zkratek
T [tex]……….… Jemnost
S [mm2] ………..………Substanční plocha
s*[mm2] ………...………Plocha jednoho vlákna v průřezu DS [mm] ………...………...………...Substanční průměr
ρ [kg*m-3] ………..………...Hustota
μ [-]………..…………...……….. Zaplnění
Vc [m3] ………..………..Celkový objem
V [m3] ………..………Objem vláken v niti
d [mm] ………..………Průměr nitě POP………....……… Polypropylen
Z [m-1] ………..………Zákrut
N [ot*s-1] ………..………Otáčky krutného orgánu v [m*s-1] ………..………...Odváděcí rychlost fm [-] ………..………Opravný činitel provázanosti f [-] ………..……….…………..Koeficient provázání no, nu [-] ……….………Počet osnovních/ útkových nití fo[-] ………...………….………..Stupeň provázání osnovy fu[-] ………..………..………..…………Stupeň provázání útku Do,u [n*100mm-1] ………...………Dostava osnovy/útku A [mm] ………...….………Skutečná rozteč útkových nití B [mm] ………..………….………Skutečná rozteč osnovních nití dstr[mm] ………..………..………Střední průměr nitě do,u[mm] ………..………Průměr osnovní/útkové nitě Dlim [n*100mm-1] ……….………..………...……Limitní dostava tkaniny P [%] ………..……...………Plnost tkaniny Po,u [%] ………..………...………Plnost osnovy/útku
Dct max [n*100mm-1] ………..………...……Maximální dostava tkaniny Dct [n*100mm-1] …………..………...……Skutečná dostava tkaniny Dopt [n*100mm-1] ………..………...… Optimální dostava tkaniny Zp[-] ………...……...………...………Zploštění průřezu a [mm] ………..………Šířka příčného řezu b [mm] ………..………...………...………Výška příčného řezu H [mm] ………..………Celková výška vazné vlny ho,u [mm] ………....………Výška vazné vlny osnovní/útkové nitě eo,u [-]………...………...…………. Relativní zvlnění osnovy/útku t [mm] ………..………Tloušťka tkaniny Fp[N*tex-1] ………...………Poměrná pevnost F [N] ………..……….………Pevnost ε [%] ………..……….Tažnost Δl [mm] ………...………...……… Prodloužení do přetrhu lo [mm] ………...………...……… Upínací délka Ptko,u[N*5cm-1] ………...………Pevnost tkaniny ve směru osnovy/útku FN [N] ………...………Pevnost jednotlivých nití KVP [-] ………..………Koeficient využití pevnosti 95% IS [%] ..………..………95% Interval spolehlivosti m [g] ………Hmotnost π [-] ………...………..……Ludolfovo číslo E [N] ……….…………..………Počáteční (Youngův) modul pružnosti
1. Rešerše
Většina modelů zabývajících se pevností a tažností tkanin vychází ze základního modelu Peirce[1], který také charakterizoval několik způsobů deformace tkaniny při zatížení. Model vychází z předpokladu, že příze jsou kruhového průřezu, jsou nestlačitelné a dokonale ohebné. Taylor [2] vycházející z modelu Peirce, pomocí energetických metod přidal další efekt, kterým je posun příze o přízi v kontaktních bodech. Tuto teorii, ve své studii, dále rozvinul Pan [3], kde rozdělil síly působící mezi přízemi do dvou složek: jedna je adhezivní a nezávislá na tlaku a druhá je třecí, přímo úměrná tlaku. Adhezní síla se ukázala jako zanedbatelná. S dalším zpřesněním Peirceova modelu přišel Olofsson [4], předpokládající jiný složitější nekruhový průřez přízí (kruhový průřez nití se dá předpokládat u vazeb s dlouhými floty) a dále uvažuje vztah mezi zakřivením nitě ve tkanině a jejím uvolněným stavem. Princip tohoto modelu tkví v geometrii tkaniny, která je považována za funkci síly působící na příze ve tkanině. Vliv relaxovaného stavu tkaniny na její mechanické vlastnosti ověřoval Grosberg a Kedia [5].
S poslední modifikací Peierceova modelu přišel Jeon a Chun [6]. Jedná se o využití efektivního průměru příze a aplikaci energetické metody pro vytvoření modelu pro predikci tahového chování tkanin.
Energetické metody pro modelování pevnosti tkanin využili ve své studii také Shanahan a Hearle [7]. Ukázali, jak mohou být energetické metody aplikovány na problém chování tkanin během napínání.
S dalším možným přístupem modelování pevnosti tkaniny přišel Daniel [8]. V tomto modelu není bráno v potaz překřížení nití ve vazných bodech, přičemž tkanina působí jako svazek přízí bez jakýchkoli iterací. Model se zakládána pravděpodobnosti přetrhu jednotlivých nití ve tkanině a zkoumá vztahy mezi svazkem přízí (tkanina) a samotných přízí. Prvně byl tento model rozvinut autorem Phoenix [9]. V jehož modelu kladl důraz na pevné mezivlákenné interakce délkových útvarů např. zakroucené příze a kabely, přičemž se zaměřil především na lokální zatížení vláken v průřezu. Dále se tímto typem modelu zabývali autoři Shahpurwala a Schwartz [10], kteří přidali do modelu efekt zvlnění přízí ve tkanině, tření včetně posuvu příze o přízi a velikost příze. Tyto efekty měly pozitivní dopad na korelaci s naměřenými daty.
Realff a spol. [11] využili k modelování mikromechanický přístup. Model pevnosti tkaniny vycházel ze základních parametrů příze (pevnost, ohyb, zploštění a konsolidační chování) a počáteční geometrie tkaniny. Autoři prezentovali mikromechanický model pro globální odezvu napětí-deformace tkaniny a lokální geometrické změny tkaniny během jednoosé deformace.
Dalším autorem zabývajícím se modelování pevnosti tkanin byl Kawabata [12,13]. Jeho geometrický model příze ve tkanině je dán přímými úsečkami rovnoběžnými s rovinou plátna v místě flotů a segmentů skloněných k rovině plátna v překřížení osnovy a útku. Sun, Seyam a Gupta [14], vycházeli z tohoto modelu a dále jej modifikovali. Jejich model je aplikovatelný na různé tkaniny s různým stupněm těsnosti i s použitím více než jednoho druhu osnovy a útku ve tkanině.
Posledním zde zmíněným přístupem k modelování mechanických vlastností tkaniny je metoda neuronových sítí (ANN). ANN je založeno na principu přesného mapování vztahů mezi vstupními daty a výstupními daty. Vstupní hodnoty jsou již naměřená data. V ANN se nachází jedna nebo více skrytých vrstev mezi jednou vstupní a jednou výstupní vrstvou. Každá vrstva je tvořena řadou neuronů nebo již známých naměřených dat. Každý neuron získává signál od předchozích neuronů a každý z těchto signálů má svůj koeficient, kterým se vyjadřuje jeho významnost. Vážené výstupní hodnoty se poté sčítají a jsou konvertovány na reálné hodnoty výstupní vrstvy. Tuto metodu použili Halleb a Amar [15], kteří vytvořili 15 vstupních koeficientů s využitím pouze technických parametrů příze a tkaniny. Dále byla metoda ANN využita autory Majumdar a spol. [16] V jejich případě byly vstupní parametry: pevnost osnovní (útkové) příze, tažnost osnovní (útkové) příze, počet osnovních (útkových) nití na jednotku délky a hustota útku (osnovy). Výstupní hodnotou je pouze pevnost tkaniny ve směru osnovy (útku).
2. Plošná geometrie tkanin
Jedná se o údaje hodnotící tkaninu z hlediska vnějšího uspořádání, jak vzoru ve tkanině, tak také nití v jednotlivých soustavách. Hlavní parametry plošné geometrie z hlediska vstupního materiálu jsou: průměr nitě, zákrut nitě, jemnost nitě, hustota materiálu, seskání atd. Dále z hlediska vzoru a uspořádání jsou to tyto parametry: vazba tkaniny a dostavu nití ve tkanině [17].
2.1. Vstupní materiál
Vlastnosti tkanin vycházejí především z parametrů délkových vlákenných útvarů, z kterých jsou zhotoveny. Parametry délkových vlákenných útvarů jsou měrná hmotnost, průměr nitě, zaplnění délkového útvaru, seskání, jemnost, zákrut, pevnost a tažnost délkového útvarů [17].
Tato práce je zaměřena na tkaniny tkané z polypropylénových multifilamentů se zákrutem, proto budeme vycházet z vlastností polypropylénu a vlivu zákrutu na mechanicko-fyzikální vlastnosti multifilamentu.
2.1.1. Jemnost, zaplnění, měrná hmotnost a průměr nitě
Pro vyjádření jemnosti neboli délkové hmotnosti je zavedena soustava tex.
Využívá se u délkových vlákenných útvarů v textilním průmyslu např. přízí, multifilamentů, pramenů atp. Nejpoužívanější jednotkou je tex. Jednotka tex je vyjádřena podílem hmotnosti ku délce 1 km délkového útvaru podle vzorce [19]:
1 𝑡𝑒𝑥 = 1𝑔
1𝑘𝑚 (1)
Jemnost lze také vyjádřit pomocí substančního průřezu a hustoty vláken.
Substanční průřez nitě S je součet všech řezných ploch jednotlivých vláken v příčném průřezu viz. obr.1 [20]
𝑆 = ∑𝑛𝑖=1𝑠𝑖∗ (2)
S ………… celková plocha vláken v průřezu nitě [mm2] s*………… plocha jednoho vlákna v průřezu nitě [mm2]
Obrázek 1 Schéma průřezu délkového vlákenného útvaru dle [20]
Kdybychom stlačili délkový vlákenný útvar, tak že bychom vytlačili všechen vzduch, vznikl by kompaktní kruhový průřez substanční plochy S se substančním průměrem DS viz. obr. 2 Substanční průměr můžeme vyjádřit pomocí substanční plochy, nebo z jemnosti a hustoty.
𝐷𝑆 = √4𝑆
𝜋 = √𝜋𝜌4𝑇 (3)
DS… substanční průměr [mm]
S… substanční plocha [mm2] T… jemnost [tex]
ρ… hustota [kg*m-3]
Obrázek 2 Schéma substančního průměru dle [20]
Poté je jemnost vyjádřena součinem substančního průřezu a hustoty vláken [20].
𝑇 = 𝑆 ∗ 𝜌 (4)
T ... jemnost [tex]
S ...substanční průřez nitě [mm2] 𝜌 ... hustota [kg*m-3]
Pro odvození jemnosti lze také uplatnit zaplnění délkového vlákenného útvaru.
Zaplnění je obecně vyjádřeno vzorcem jako poměr mezi objemem vláken v niti ku celkovému objemu nitě [20].
𝜇 = 𝑉
𝑉𝐶 (5)
𝜇 ...
zaplnění [-]V ... objem vláken v niti [m3] Vc ... celkový objem nitě [m3]
Z předchozí rovnice můžeme vyjádřit substanční průřez nitě S =T/ρ. Dále víme, že jemnost je vyjádřena podílem hmotnosti ku délce nitě T = m/l. Hmotnost lze obecně nahradit vzorcem m=V*ρ. Úpravou předchozích vztahů vzniká následující rovnost V/l=T/ρ=S. Z předchozího vztahu jsme schopni vyjádřit objem vláken v niti V = Tl/ρ.
Celkový objem Vc je určen vzorcem (πD2l)/4 viz. obr. 3. Po nahrazení a upravení rovnice vzniká výraz vyjadřující jemnost [20].
𝑇 =𝜇∗𝜋∗𝑑2∗𝜌
4 (6)
T ... jemnost [tex]
μ ... zaplnění [-]
d ... průměr nitě [mm]
ρ ... hustota [kg*m-3]
Obrázek 3 Schéma podélného pohledu délkového vlákenného útvaru dle [20]
Z předchozí rovnice pro vyjádření jemnosti lze úpravou získat také průměr nitě [20].
𝑑 = √𝜋∗𝜌∗𝜇4∗𝑇 (7)
d………. průměr osnovní/útkové nitě [mm]
T…….. jemnost osnovní/útkové nitě [tex]
ρ………. Hustota materiálu [kg/m3] μ……….. zaplnění nitě [-]
2.1.2. Vlastnosti polypropylenu
Měrná hmotnost polypropylénu je 910 kg*m-3 a patří mezi nejnižší ze všech textilních vláken. Na obrázku 4 je znázorněn strukturální vzorec polypropylénu [33].
Obrázek 4 Strukturální vzorec polypropylénu dle [24]
Teplota měknutí POP vláken je velmi nízká 149-154°C a následná teplota tání 165-170°C. Elektroizolační vlastnosti POP vláken jsou dobré. V horké vodě dochází ke srážení 0-5%. Rozsah možné tažnosti může být velký 15-60%. Pevnost POP vláken je nízká 1.5-6 cN*tex-1 u vysoce pevných až 10 cN*tex-1. Velice málo odolné proti vlivům světla, ale naopak výborná odolnost proti chemikáliím kromě koncentrované HNO3 a horkým koncentrovaným alkáliím [33].
2.1.3. Zákrut
Krutné ústrojí otáčí svazkem vláken kolem podélné osy svazku. Otočí-li se krutný orgán o 360° otočí tedy i svazkem o 360° a tím se do svazku vloží jeden zákrut.
Protože vlákenný svazek je ke krutnému orgánu dodáván, resp. odváděn určitou rychlostí,
počet zákrutů vložených do vlákenného svazku pak odpovídá poměru otáček a odváděné rychlosti. Krutné ústrojí může být vřeteno nebo rotor (u multifilamentů pouze vřeteno) [22].
𝑍 =𝑁
𝑣 (8)
Z ... zákrut [m-1]
N ... otáčky krutného orgánu [ot*s-1] v ... odváděcí rychlost [m*s-1]
2.1.3.1. Vliv zákrutu multifilamentu na jeho vlastnosti
Vlivem zvyšování zákrutu v multifilamentu dochází nejprve k zvyšování pevnosti díky vzniku koherentních sil a tím pádem vyrovnání slabých míst mezi jednotlivými fibrilami. Následně pevnost klesá díky postupnému vyosení jednotlivých fibril, čímž dochází k zvyšování úhlu mezi osou multifilamentu a jednotlivými fibrilami, což má za následek menší využití tahové síly jednotlivých fibril v zakrouceném svazku viz. Obr. 5 a tedy snížení pevnosti [32].
Obrázek 5 Schéma tahové síly ve vlákně [21]
S rostoucím úhlem sklonu vláken roste seskání. Společně se seskáním roste také tažnost, jelikož se zvyšuje délka jednotlivých fibril v multifilamentu [21].
2.2. Vazba tkaniny
Vazba tkaniny je základem studie jak plošné, tak i prostorové geometrie. Jedná se o popis vazné buňky vycházející z použitého provázání nití ve tkanině (střída vazby nejmenší opakující se prvek ve tkanině viz obr. 6). Střídu lze definovat velikostí jak
v příčném směru, tak i podélném směru tkaniny. A dále složitostí provázání v příčném a podélném směru [17].
Obrázek 6 Střída vazby a její rozkreslení dle [26]
Vazná vlna a její tvar je ovlivněn složitostí provázání. Tvar vazné vlny v každém typu provázání je dán přechodovým úsekem a úsekem neprovazujícím (flotáž) viz. Obr.
7. Tvar vazné vlny má také vliv na dostavu tkaniny, jak v osnově, tak i v útku.
Obrázek 7 Křížový kepr s vyznačením flotážního a přechodového úseku dle [26]
Flotáž neboli volně ležící úsek nití ve vazbě tkaniny je možné vyjádřit pouze u neplátnových vazeb (plátnová vazba flotážní úseky nemá, jedná se o vazbu složenou jen z úseků přechodových). Díky neprovazujícím úsekům nití ve tkanině lze dosáhnout vyšších dostav než u plátna. Teorií těsného provázání lze vliv neprovázání nití na dostavy jednotlivých soustav vyjádřit na základě opravného činitele fm, f je koeficient provázání, exponent mje experimentálně zjištěná hodnota a pro různé vazby nabývá hodnot od 0,3 až 0,5 [25].
Šířka a výška střídy je dána počtem osnovních a útkových nití no, nu. Počet vazných bodů ve střídě je no* nu
.
Stupeň provázání f je určen na základě podílu počtu přechodů dané nitě v ploše střídy daného směru k velikosti střídy vazby. Tento stupeň provázání je možné využít k posouzení soudržnosti tkaniny, která právě vychází z počtupřechodů v provázání. Stupeň neprovázanosti je dán podílem velikosti střídy vazby k počtu přechodů dané nitě v ploše střídy daného směru. Tento stupeň neprovázanosti nití je možné použít k posouzení velikosti flotáže na možný přepočet dostavy plátnové versus neplátnové vazby.
𝑓𝑢 = 𝑛𝑜∗𝑛𝑢
∑𝑛𝑢𝑝𝑜č𝑒𝑡 𝑝ř𝑒𝑐ℎ𝑜𝑑ů 𝑣 ú𝑡𝑘𝑜𝑣é 𝑚𝑒𝑧𝑒ř𝑒 (9)
𝑓𝑜 =∑ 𝑛𝑜∗𝑛𝑢
𝑝𝑜č𝑒𝑡 𝑝ř𝑒𝑐ℎ𝑜𝑑ů 𝑣 𝑜𝑠𝑛𝑜𝑣𝑛í 𝑚𝑒𝑧𝑒ř𝑒
𝑛𝑜 (10)
𝑓 =𝑓𝑜+𝑓𝑢
2 (11)
f………….koeficient provázání [-]
fo…………stupeň provázání osnovy [-]
fu…………stupeň provázání útku [-]
no………… počet osnovních nití ve střídě [-]
nu…………. počet útkových nití ve střídě [-]
Pro plátnovou vazbu je stupeň provázání f roven 1. Vazby lze rozdělit, vzhledem k provázání nití v podélném a příčném směru [17]: Symetrické – základní vazby (plátno, atlas, kepr) a asymetrické – odvozené vazby ze základních (příčný a podélný ryps)
2.3. Dostava tkaniny
Dostava tkaniny je vyjádření počtu nití připadajících na jednotku délky. Podle směru, ve kterém je dostava tkaniny měřena, rozlišujeme dostavu osnovy Do a dostavu útku Du. Těsné postavení nití v jedné rovině viz. obr. 8 představuje 100% zakrytí. Jedná se o nekonečnou flotáž (nejde o soudržný systém) nití ve tkanině. Flotáž se vyskytuje pouze u vazeb neplátnových. Pro plátnovou vazbu, která obsahuje naopak největší počet provázání ze všech vazeb je možné dosáhnout maximálně 57,8% hustoty ze 100%
postavení nití dle obr. 9 [17].
Obrázek 8 Těsné postavení nití v jedné rovině dle [17]
Obrázek 9 Těsné provázání plátnové vazby dle [17]
Důležitým pojmem pro vyjádření dostavy nití ve tkanině z její geometrie je rozteč nití v provázání. Okolí jednoho zakřížení osnovní a útkové nitě je nazváno vazným bodem. Rozlišujeme skutečnou rozteč útkových nití A a skutečnou rozteč osnovních nití B definovanou pro plátnovou vazbu, pro kterou platí [17]:
𝐴 =100
𝐷𝑜 (12)
𝐵 =100
𝐷𝑢 (13)
A……...skutečná rozteč útkových nití [mm]
B………..skutečná rozteč osnovních nití [mm]
Do………. dostava osnovy [n*100mm-1] Du………. dostava útku [n*100mm-1]
Z výše uvedeného vztahu plyne, že rozteč v místě zakřížení je shodná s roztečí v místě flotážním. Experimentem je však možné dokázat, že u flotážních vazeb dochází k rovnoměrně nerovnoměrnému rozložení nití ve vazné vlně. Rozdíl můžeme vidět na obr. 10 [17].
Obrázek 10 Úsek plátnového provázání a úsek s flotáží dle [17]
Vzhledem k tomu, že tato práce je zaměřena jen na plátnové vazby není nutné odvozovat vztah pro vyjádření roztečí u flotážních vazeb.
2.3.1. Limitní a optimální (podle hustoty tkaniny) dostava nití ve tkanině
Každá vazba má svou vlastní limitní a optimální dostavu ve tkanině. Limitní i optimální dostava nití vychází z průměru nití a z použité vazby. Z průměru osnovních a útkových nití dále vyjádříme střední průměr nitě [17]:
𝑑𝑠𝑡𝑟 = 𝑑𝑜+𝑑𝑢
2 (14)
dstr…………střední průměr nitě [mm]
do………….průměr osnovní nitě [mm]
du…………. průměr útkové nitě [mm]
Limitní dostavu tkaniny lze vyjádřit z geometrie. Na obr. 11 vidíme limitní stav dostavy. Úsečka spojující středy sousedních nití je minimální vzdálenost, která je právě dvakrát střední průměr nitě dstr (za předpokladu, že se průřez nití nedeformuje) a představuje přeponu pravoúhlého trojúhelníku. Dále můžeme vidět jednu odvěsnu pravoúhlého trojúhelníku, která spojuje střed osnovní a útkové nitě a je rovna střednímu průměru nitě dstr. Druhá odvěsna vyjadřuje rozteč nití A nebo B jedné ze soustav.
Následně lze z rozteče pomocí Pythagorovi věty vyjádřit limitní dostavu tkaniny [17].
Obrázek 11 Schéma limitního stavu dostavy v provázání dle [17]
𝐷𝑙𝑖𝑚 = 100
√4∗(𝑑𝑠𝑡𝑟)2−(𝑑𝑠𝑡𝑟)2∗ 𝑓𝑚 (15)
Dlim………. limitní dostava tkaniny [n*100mm-1] fm…………. opravný činitel provázanosti [-]
dstr………… střední průměr nitě [mm]
Dále pro vyjádření optimální dostavy tkaniny bude nutné si odvodit hustotu nebo-li plnost tkaniny P[%]. Hustota tkaniny vyjadřuje poměr mezi skutečnou dostavou tkaniny a její maximální dosažitelnou dostavou [17].
𝑃 = 𝐷𝑐𝑡
𝐷𝑐𝑡 𝑚𝑎𝑥∗ 100 (16)
𝑃𝑜,𝑢 = 𝐷𝑜,𝑢
𝐷𝑐𝑡 𝑚𝑎𝑥∗ 100 (17)
P………. plnost tkaniny [%]
Po,u…………...plnost osnovy/útku [%]
Dct max………..maximální dostava tkaniny [n*100mm-1] Dct………skutečná dostava tkaniny [n*100mm-1] Do,u…………..skutečná dostava osnovy/útku [nití/10cm]
Poté dosazením do rovnice (13) získáme optimální dostavu tkaniny [17].
𝐷𝑜𝑝𝑡 = 100
√4∗(𝑑𝑠𝑡𝑟)2−(𝑑𝑠𝑡𝑟)2∗ 𝑓𝑚∗ 𝑃
100 (18)
Dopt………. optimální dostava tkaniny [n*100mm-1] P…………plnost tkaniny [%]
fm…………. opravný činitel provázanosti [-]
dstr………… střední průměr nitě [mm]
3. Prostorová geometrie tkaniny
Prostorová geometrie obsahuje údaje hodnotící tkaninu z hlediska vnitřního uspořádání nití v jednotlivých soustavách. Ve velké míře je ovlivněna typem a seřízením stroje. Je tedy možné, že tkanina téže konstrukce může být za různých podmínek setkána s rozdílnými prostorovými strukturami provázání [17].
Hlavními parametry prostorové geometrie tkaniny jsou: zvlnění osnovy a útku ve vazné vlně, tvar vazné vlny v provázání, úhel provázání nití ve tkanině, délka nitě v provázání, velikost a tvar průřezu nitě v řezu tkaninou [17].
Hodnocení a popis tkaniny z hlediska vnitřního uspořádání nití ve tkanině provádíme na základě podélného (obr.12) a příčného (obr. 13) řezu tkaninou [17].
Obrázek 12 Schéma příčného řezu tkaninou dle [17]
Obrázek 13 Schéma podélného řezu tkaninou dle [17]
3.1. Vliv deformace průřezu multifilamentu na jeho parametry
Výchozí průřez multifilamentu bez zákrutu nebo s ochranným zákrutem je přirovnatelný ke tvaru oválu. Prvním faktorem ovlivňující průřez multifilamentu je jeho zakrucování. Zakrucováním multifilamentu vlivem torzní deformace dochází ke změně jeho tvaru z oválného na tvar kruhový. Společně se změnou průřezu se také zvyšuje zaplnění a ohybová tuhost multifilamentu vlivem stlačování, a tím také dochází ke snižování průměru multifilamentu. Dále dochází k nárůstu délkové hmotnosti vlivem seskání. Druhý faktor ovlivňující průřez multifilamentu je jeho zatkání. Hlavní příčinou deformace průřezu při tkaní je ohyb ve vazných bodech. Zakřivením vzniká na vnější polovině průřezu tahové a na dolní tlakové napětí viz obr. 14, které vede ke vzniku radiálního napětí působícího směrem k vodorovné ose průřezu nitě. Toto napětí deformuje kruhový průřez nitě zpět na oválný [25]. Deformovaný řez lze obvykle pro další zpracování aproximovat různými geometrickými tvary např. kruh, elipsa, ovál (Kempův průřez), čočka (viz. obr. 15). Nejčastěji volenou variantou pro predikci
parametrů průměru příze je kruh. V případě zdeformovaného kruhového průřezu je nejvýhodnější pro aproximaci z hlediska představivosti ovál. Parametry oválu se definují na základě zploštění Zp vycházející z následujícího vztahu.
𝑍𝑝 =𝑏
𝑎 (19)
Zp… zploštění průřezu [-]
a … šířka příčného řezu [mm]
b … výška příčného řezu [mm]
Jestliže Zp je rovno 1, což znamená, že a=b, výsledkem je kruhový průřez.
Obrázek 14 Schéma působení sil na zatkanou nit dle [34]
Obrázek 15 Deformovaný průřez nitě (kružnice, elipsa, ovál, čočka) dle [34]
Obrázek 16 Změna tvaru průřezu vlivem zvyšování počtu zákrutů dle [23]
Na obr. 16 můžeme vidět, že kruhový průřez multifilamentů můžeme použít již od 800 m-1.
3.2. Zvlnění nitě ve tkanině
Výchozí představa plošné geometrie je v podstatě model tkaniny, v němž jsou všechny vazné body v jedné rovině. Ve skutečné tkanině při provázání dochází k vychýlení vazních bodů nad lícní a rubovou rovinu tkaniny [17].
Zvlnění nití (vychýlení osy nitě od roviny tkaniny) je možné definovat na základě výšky vazné vlny osnovní nitě ho, a výšky vazné vlny útkové nitě hu. Celková výška H je dána jejich součtem.[25]:
𝐻 = ℎ𝑜+ℎ𝑢 (20)
H…….celková výška vazné vlny [mm]
ho……výška vazné vlny osnovní nitě [mm]
hu…… výška vazné vlny útkové nitě [mm]
Relativní zvlnění je poměr absolutního zvlnění osnovy nebo útku k celkovému [25]:
𝑒𝑜 = ℎ𝑜
ℎ𝑜+ℎ𝑢 (21)
𝑒𝑢 = ℎ𝑢
ℎ𝑜+ℎ𝑢 (22)
eo,u……relativní zvlnění osnovy/útku [-]
ho……. zvlnění osnovní nitě [mm]
hu…….. zvlnění útkové nitě [mm]
Z definice je zřejmé, že platí součet relativních zvlnění v osnově a v útku bude roven 1. Každá z hodnot relativního zvlnění bude tedy ležet v intervalu 0-1. Zvlnění nitě ve tkanině je závislé na mnoha faktorech: objem příze, ohybová tuhost příze, zaplnění příze, vazba tkaniny, míra napětí nití při tkaní a finální úpravy [25].
Výšku vazné vlny osnovní nitě ho a útkové nitě hu lze také vyjádřit na základě průměrů nití do, du a relativního zvlnění osnovy eo nebo útku eu [25].
ℎ𝑜,𝑢= 𝑑𝑜,𝑢∗ 𝑒𝑜,𝑢 (23)
ho,u………. výška vazné vlny osnovy/útku [mm]
do,u……….. průměr osnovní/útkové nitě [mm]
eo,u……… relativní zvlnění osnovy/útku [-]
Obrázek 17 Zvlnění nití ve tkanině dle [25]
Provázání nití ve tkanině klasifikujeme do tří fází viz. obr. 17 [25]. Na obr. 17 můžeme vidět vodorovně šrafovanou část, která značí střední tloušťku tkaniny. V první fázi můžeme vidět extrém s nulovým zvlněním osnovních nití, v praxi dosažitelné jen
obtížně(osnova by musela být neohebná nebo hodně napnutá). Relativní zvlnění osnovy je nulové, útku maximální. Při stejných průměrech osnovních a útkových nití t=3d. Ve druhé fázi jsou vazné body „v zákrytu“ v daném případě je tedy relativní zvlnění e1=e2=0,5 a t=do+du. Ve třetí fázi je další extrém s nezvlněnými útkovými nitěmi. Jedná se o analogii s 1. fází, jen to, co platilo pro útkové nitě, platí pro osnovní a naopak.
Novikov zavedl 9 kategorií struktury tkaniny, přičemž 1. a 9. odpovídají popsaným extrémům a 5. symetrické tkanině. Ostatní mezistavy mají buď větší zvlnění útku nebo větší zvlnění osnovy [25].
4. Mechanické vlastnosti
Jedná se o odezvu materiálu na mechanické působení od vnějších sil. Konkrétně se jedná o tah, tlak, ohyb, krut a střih viz. obr. 18. Tyto namáhání se v praxi většinou objevují v kombinaci. Laboratorně se zkoumají odděleně. Během namáhání dochází v materiálu k deformaci (změna tvaru), což je závislé na velikosti zatížení, rychlosti namáhání, době trvání [28].
Obrázek 18 Prezentace způsobu namáhání dle [28]
Druhy zkoušek mechanického namáhání:
Statické zkoušky – Při těchto zkouškách zatěžujeme materiál zvolna. Působení v řádech minut, při dlouhodobých zkouškách dny až měsíce [27].
Dynamické zkoušky rázové a cyklické – Při těchto zkouškách působíme nárazově po zlomek sekundy. Cyklické zkoušky se proměnné zatížení opakuje i mnoha cykli za sekundu až do několika miliónů jejich opakování [27].
Zvláštní technické zkoušky – Jejichž údaje je možno považovat za směrné (výsledek zkoušky závisí na mnoha vedlejších činitelích). Nejdůležitější z těchto zkoušek jsou zkoušky tvrdosti [27].
Podle teplot – Závisí na tom, při jakých teplotách zkoušky provádíme (normálních, vysokých, nízkých) [27]
Tato práce je zaměřena na pevnost a tažnost tkanin. Proto další kapitoly budou věnovány právě tahovému namáhání, jehož odezvou je pevnost v tahu. První část bude popisovat pevnost a tažnost délkových vlákenných útvarů a v další části se budeme věnovat pevnosti a tažnosti samotných tkanin. Poslední část bude zaměřena na zkoušení pevnosti a tažnosti, jak délkových vlákenných útvarů, tak i tkanin z nich zhotovených.
4.1. Pevnost a tažnost
Jediné normované zkoušky v textilu jsou pevnosti v tahu. Při namáhání materiálu v tahu je odezvou pevnost v tahu. Pevnost v tahu je zkouškou statickou.
Pevnost a tažnost je zjišťována současně při tahové zkoušce na dynamometru. Pevnost a tažnost určujeme u délkových vlákenných útvarů (příze, multifilamenty atd.) a také u plošných útvarů (tkaniny, pleteniny atd.) [28].
4.1.1. Pevnost a tažnost délkových vlákenných útvarů
Délkové vlákenné útvary jsou charakteristické dvěma rozměry délkou a průměrem (tj. šířkou). Pevnost a tažnost je měřena v podélném směru, tj. směru osy délkového vlákenného útvaru [18]. Testování délkových vlákenných útvarů na pevnost a její vyhodnocení bude popsáno v kapitole 4.1.2.2. Experimentální vyhodnocení pevnosti tkanin.
4.1.1.1. Pevnost délkových vlákenných útvarů
Pevnost je maximální síla při tahovém namáhání, ve většině případů zároveň síla při přetrhu. Jednotkou pevnosti je N. Pokud tuto sílu vztáhneme k ploše, dostáváme napětí, které má jednotku N*m-2. Častěji používaným parametrem u délkových vlákenných útvarů je poměrná pevnost. Jedná se o pevnost podělenou jemností materiálu.
Jednotkou této veličiny je N*tex-1 [29].
4.1.1.2. Tažnost délkových vlákenných útvarů
Tažnost je vyjádřena poměrem mezi prodloužením do přetrhu a upínací délkou.
Upínací délka je vzdálenost mezi upínacími čelistmi. Prodloužením je myšlena vzdálenost, o kterou se materiál protáhne od původní upínací délky. Tažnost také může být vyjádřena v procentech [29].
𝜀 =∆𝑙
𝑙0 ∗ 100 (24)
ε ……… tažnost [%]
Δl ……… prodloužení do přetrhu [mm]
lo………. upínací délka [mm]
4.1.2. Pevnost a tažnost tkanin
Pevnost tkanin je stejně jako u délkových vlákenných útvarů maximální síla při tahovém namáhání. Pro tažnost tkanin platí také stejná definice jako u délkových vlákenných útvarů. Odlišností od délkových vlákenných útvarů je, že se jedná o plošnou textilii, která má dva hlavní směry (osnova a útek), proto je možné tkaninu testovat na pevnost a tažnost následujícími způsoby:
Jednoosé (uniaxiální) zatížení - zatěžování tkaniny v jednom z hlavních směrů (osnova nebo útek) [25]
Dvouosé (biaxiální) zatížení – deformace tkaniny současně ve více směrech (nemusí to být konkrétně osnova a útek) [25]
Tato práce je zaměřena na namáhání jednoosé, proto další část této práce bude zaměřena na popis tohoto způsobu namáhání.
Rozlišujeme dva možné přístupy k určování pevnosti a tažnosti tkanin:
Experimentální – Jedná se o testování pevnosti a tažnosti zhotovených tkanin ve směru osnovy nebo útku. Výsledkem je tahová křivka, která vyjadřuje chování tkanin při namáhání danou silou a prodloužením. Pro výpočet tažnosti používáme totožný vzorec (21) jako pro délkové vlákenné útvary. Testování pevnosti a tažnosti tkanin a jejich vyhodnocení bude popsáno v kapitole níže.
Teoretické – Při výpočtu teoretické pevnosti a tažnosti tkaniny vycházíme z jejích základních zadaných parametrů a z parametrů samotných nití, z kterých je zhotovena. Pro tuto práci je stěžejní jen teoretická pevnost tkanin, proto teoretická tažnost nebude dále rozváděna.
4.1.2.1. Teoretické vyjádření pevnosti tkanin
Pevnost teoretická, stejně jako experimentální je vyjádření maximální síly do porušení tkaniny. Pro vyjádření teoretické pevnosti tkaniny pro osnovní a útkový směr [N*5cm-1] je možné použit model (Kovář [25]). Pevnost tkaniny pro osnovní a útkový směr vychází z poměrné pevnosti nití [N*tex-1] a jejich dostavy [n*10cm-1] v testovaném směru. Teoretická pevnost tkaniny se nejčastěji určuje jako pevnost tkaniny [N*5cm-1], což vychází z šířky vzorku testovaného experimentálně. Z důvodu, že dostava se udává na 10 cm je výsledný vztah vynásoben jednou polovinou. Pevnost je také možné přepočítat na různé délky a také i na jednu nit, jelikož se jedná o pevnost součtovou. [25].
𝑃𝑡𝑘𝑜,𝑢 = 𝐷𝑜,𝑢𝐹𝑁𝑇𝐾𝑉𝑃1
2 (25)
Ptko,u...pevnost tkaniny ve směru osnovy/útku [N*5cm-1] Do,u... dostava osnovy nebo útku [nití*10cm-1]
T ……… jemnost [tex]
FP ... poměrná pevnost jednotlivých nití [N*tex-1] KVP ...koeficient využití pevnosti [-]
Pevnost tkaniny, ale nemusí být rovna součtu pevností nití ve směru namáhání.
Protože počet a pevnost nití v druhém směru mají také silnou vazbu na pevnost ve směru testovaném. Účinnost přenosu síly z nití v testovaném směru je procento kumulativní síly z celkového počtu jednotlivých podélných nití v tomto směru, který se přenáší na tkaninu po tkaní. Z tohoto důvodu je zaveden koeficient využití pevnosti multifilamentu ve tkanině Kvp. Někdy je tento koeficient myšlen jako koeficient vazebného provázání, který zahrnuje pouze vliv vazby na pevnost tkaniny. V tomto případě se jedná o koeficient zahrnující veškeré parametry ovlivňující pevnost tkaniny včetně vazebného provázání.
𝐾𝑣𝑝 = 𝑝𝑒𝑣𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑡𝑘𝑎𝑛𝑖𝑛𝑦 𝑣𝑒 𝑠𝑚ě𝑟𝑢 𝑜𝑠𝑛𝑜𝑣𝑦 (ú𝑡𝑘𝑢)
𝑆𝑜𝑢č𝑒𝑡 𝑝𝑒𝑣𝑛𝑜𝑠𝑡í 𝑜𝑠𝑛𝑜𝑣𝑛í𝑐ℎ (ú𝑡𝑘𝑜𝑣ý𝑐ℎ)𝑝ří𝑧í (26)
Hlavní důvody neúplného využití pevnosti ve tkanině [25]:
1. nestejnoměrnost nitě - pevnost nitě Fn je brána jako průměrná pevnost nitě. Ve tkanině se tedy může nejprve přetrhnout nejslabší nit dříve než ostatní - princip nejslabšího článku. Velký vliv na pevnost má také tažnost. Dojde-li k různé tažnosti nití, tak nit s nižší tažností se přetrhne dříve.
2. Způsob namáhání nitě - způsob trhání plošné textilie se liší od způsobu zjišťování pevnosti příze.
3. Nestejnoměrnost struktury tkaniny - tento problém se vyskytuje u vazeb s floty. Nitě s nižším setkáním jsou více protaženy a tím pádem může dojít k jejich dřívějšímu přetrhu.
4. Zpevnění nitě zatkáním - Důvodem dosažení koeficientu Kvp vyššího než 1 je pravděpodobně větší počet třecích míst ve tkanině oproti samotné niti, která nevyužívá stoprocentně pevnost vláken a při přetrhu dojde k porušení jen určitého podílu vláken [25].
4.1.2.2. Experimentální vyjádření pevnosti tkanin
Testování je prováděno na přístroji dynamometr neboli trhací stroj. Jedná se o přístroj pro definované namáhání vzorku a registraci síly a deformace. Tato zkouška je nazývána ultimativní, jelikož při testování dochází k nevratné deformaci materiálu (přetrhu). Výstupem trhacího stroje je tahová křivka, která bude popsána v kapitole níže [28].
4.1.2.2.1. Vliv podmínek namáhání na průběh a výsledky zkoušení mechanických vlastností
Klimatické podmínky - Rozdílná pevnost za sucha a za mokra. Bavlna, len a konopí vykazují za mokra nárůst pevnosti. Viskóza naopak pokles pevnosti za mokra až o 50%.
Na syntetický vlákna má vlhkost minimální vliv (max. pokles o 10%). Normované klimatické podmínky jsou teplota 20°C a vlhkost 65%.
Upínací délka – K přetrhu dojde v nejslabším místě vzorku. Na krátkých úsecích je menší pravděpodobnost výskytu slabších míst. Na dlouhých naopak větší pravděpodobnost.
Rychlost zatěžování – Čím větší čas, tím větší možnost přeskupení vnitřních sil viz. obr.
19. Rychlost zatěžování musí být stanovena normou [28].
Obrázek 19 Závislost rychlosti zatěžování na deformaci dle [28]
4.1.2.2.2. Mechanické vlastnosti a jejich hodnocení z pohledu tahové křivky
Výstupem měření je záznam v podobě tahové křivky. Pevnost je definována jako síla při přetrhu. V záznamu může dojít k situaci, že hodnota pevnosti při přetrhu není maximální, proto častěji využíváme maximální zaznamenanou hodnotu pevnosti v tahové křivce, jako vyjádření pevnosti. Každá tahová křivka má své charakteristické části viz obr. 20 [28].
Obrázek 20 Tahová křivka a její charakteristické části dle [35]
Tangentový modul pružnosti - Tečna v počátku ke křivce viz. obr. 20 také vyjadřuje tangentový modul (modul pružnosti). Je to první derivace funkce tahové křivky. Většinou ji konstruujeme graficky. Sklon přímky získané metodou nejmenších čtverců v nejstrmější lineární oblasti tahové křivky (obvykle z počátku tahové křivky), viz obr. 22.
Známý jako počáteční modul (Yongův modul), je měřítkem tuhosti materiálu – jako
odporu proti prodloužení. Jednotkou počátečního modulu je [N*mm-1]. Čím je vyšší modul materiálu, tím méně je protažitelný daný materiál danou silou [35].
Předpětí - Síla v počátku nevzrůstá lineárně s deformací. Projevuje se zakřivením způsobené tím, že se uvnitř vláken vyrovnávají vnitřní síly (narovná se zvlnění nití, proklouznou po sobě řetězce ve struktuře). Předpětí (předběžná síla) se vkládá také pro přesné odečítání tangentového (počátečního) modulu viz obr. 21. Předpětí je stanoveno normou [28].
Obrázek 21 Tahová křivka s vyznačením předpětí dle [28]
5. Experimentální část
Experimentální část práce je zaměřena na hodnocení mechanicko-fyzikální vlastnosti – pevnosti tkanin vyrobené z polypropylénových multifilamentů s různou úrovní zákrutu. Při vyhodnocování budeme vycházet z plošné a prostorové geometrie tkanin. Vyhodnocení bude prováděno na základě výpočtů teoretických pevností tkanin dle modelu Kováře [25]. Model vychází z parametrů vstupního materiálu a parametrů tkaniny. Teoretická hodnota pevnosti tkaniny vyjádřená pro osnovní a útkový směr bude porovnávána s hodnotami pevnosti tkaniny naměřenými experimentálně na testované sadě tkanin. Cílem práce je hodnocení tkanin z pohledu pevnosti, vyjádření vlivu konstrukčních parametrů tkaniny na pevnost tkaniny.
První část experimentu popisuje vlastnosti vstupního materiálu použitého pro tkaní. Následující část obsahuje popis sady experimentálních vzorků tkanin, včetně popisu konstrukce tkanin a jejich výroby. Další část je zaměřena na testování mechanických vlastností tkanin při jednoosém namáhání. Část následující je věnována
teoretickým výpočtům pevnosti tkaniny vycházejících z vlastností vstupního materiálu a parametrů tkaniny. Dále obsahuje porovnání teoretických výpočtů pevnosti s experimentálními hodnotami, kde je výsledek vyjádřen hodnotou koeficientu využití pevnosti. Pro možnost celkového hodnocení vlivu konstrukčních parametrů tkaniny na pevnost je v další části práce hodnocen průběh tahové křivky, na základě tangentového modulu pružnosti vyjádřeného z průměrných tahových křivek. Vliv parametrů prostorové geometrie je vyjádřen na základě výšky vazných vln z příčných řezů tkaniny.
5.1. Experimentální hodnocení vstupního materiálu
Pro experimentální část byl použit hladký polypropylénový multifilament.
Multifilament obsahoval 32 fibril o celkové jemnosti 16,7 tex. Průřez fibril byl kruhový.
Na obr. 22 můžeme vidět podélné pohledy použitých multifilamentů. Multifilamenty byly zakrurocovány na dvouzákrutovém skacím stroji na určité stupně zákrutů.
Obrázek 22 Podélné pohledy multifilamentů při různých stupních zákrutu
Experimentální hodnocení multifilamentů s různou úrovní zákrutu: 120, 220, 420 [m-1] bylo zaměřeno na hodnocení základních parametrů: zákrutu, jemnosti, pevnosti a tažnosti.
5.1.1. Hodnocení zákrutu vstupního multifilamentu
Ověření zákrutu multifilamentů bylo prováděno na laboratorním zákrutoměru s jednou výkyvnou a jednou stacionární čelistí viz. obr. 23 podle normy ČSN EN ISO 2061. Na přístroji bylo nastaveno předpětí viz. tab. 1 Pro každý zakroucený multifilament bylo prováděno 5 opakování, ze kterých byl vypočítán aritmetický průměr a 95% IS viz.
tab. 2.
Obrázek 23 Laboratorní zákrutoměr
Tabulka 1 Použité předpětí pro zákrutoměr a Instron Jemnost [tex] Předpětí [cN]
16,7 8,35
Tabulka 2 Zákruty multifilamentů s 95% IS Předepsaný zákrut
[m-1]
Průměrná hodnota reálného zákrutu [m-1]
95% IS [%]
Dolní mez Horní mez
120 123,20 113,02 133,38
220 233,60 211,69 255,51
420 431,25 413,66 448,84
Dle tabulky 2 plyne, že předepsané hodnoty zákrutu nejsou přesně shodné s reálnými hodnotami zákrutu, ale leží v jeho 95% IS, což je dostačující. Reálná hodnota zákrutu vykazuje ovšem poměrně vysokou variabilitu. Může to být způsobeno malým počtem měření.
5.1.1.1. Hodnocení jemnosti vstupního multifilamentu
Jemnost byla ověřena pásmovou metodou podle normy ČSN EN ISO 2060 80 0702. Z dutinky s multifilamentem byla odvinuta pomocí navijáku délka 100 m. Tato délka multifilamentu byla následně zvážena. Výsledná hmotnost v [g] byla vynásobena 10, jelikož jednotka jemnosti je [tex] (kolik gramů váží 1000 m délkové textilie). Pro každý multifilament bylo prováděno 5 měření, ze kterých byl vypočítán aritmetický průměr a 95% IS viz. tab. 3.
Tabulka 3 Jemnost multifilamentů a 95% IS Zákrut
multifilamentu [m-1]
Průměrná
hmotnost vzorku multifilamentu 100m [g]
Průměrná jemnost [tex] 95% IS [%]
Dolní mez Horní mez
0 1,663 16,64 16,57 16,70
120 1,687 16,87 16,84 16,88
220 1,692 16,94 16,92 16,96
420 1,721 17,22 17,18 17,26
Dle tabulky 3 plyne, že střední hodnoty jemností narůstají s rostoucím zákrutem díky seskání, což vyplývá z předpokladů.
5.1.1.2. Experimentální hodnocení pevnosti a tažnosti multifilamentů Tkanina je vyrobena z osnovních nití, které mají ochranný zákrut 120 m-1. Z důvodu horší zpracovatelnosti polyprylenových multifilamentů při snování, osnovní nitě
při převíjení nití z bubnu pásového snovadla na osnovní vál byly povrchově upraveny vyhlazovacím olejem (SPREITAN 418, Textilní pomocný prostředek). V rámci testování mechanických vlastností multifilamentu byla zvlášť proměřena osnovní nit bez povrchové úpravy a s povrchovou úpravou pro ověření, zda došlo nebo ne v rámci úpravy multifilamentu ke změně mechanických vlastností multifilamentu.
Testování pevnosti multifilamentů probíhalo na přístroji Instron viz. obr. 23 podle normy ČSN EN ISO 2062 80 0700. Testování mechanických vlastností bylo provedeno při různých upínacích délkách. Experimentální hodnota pevnosti je následně použita v teoretickém přepočtu výsledné pevnosti tkaniny dle modelu Kováře [25].
Výsledná pevnost tkaniny může být ovlivněna pevností multifilamentu, z hlediska toho, na jaké upínací délce byl měřen, viz kapitola 4.1.2.1. Teoretická pevnost tkaniny. Pro možnost vzájemného porovnání experimentálních hodnot pevnosti multifilamentů v rámci měření byla měněna upínací délka a rychlost příčníku pro zajištění stejné rychlosti deformace během měření jednotlivých multifilamentů s různou úrovní zákrutu.
viz. tab. 4. Od každého zákrutu v kombinaci s upínací délkou bylo testováno 50 vzorků.
Následně byla odstraněna vybočující data, aby byl splněn předpoklad normality a homogenity dat a ze zbývajících hodnot vypočítán aritmetický průměr a 95% IS viz tab.
5. Průměrné hodnoty s vyznačením jejich 95 % IS také byly zaznamenány do grafů viz.
obr. 24. Nezbytné hodnoty rozptylů a směrodatných odchylek pro výpočet 95% IS najdeme v Příloze 1. V Příloze 2 nalezneme tabulky a grafy s výslednými hodnotami tažností multifilamentů.
Obrázek 24 Trhací stroj Instron
Tabulka 4 Rychlost příčníku v závislosti na upínací délce
Upínací délka [cm] Rychlost příčníku [mm*min-1]
20 180
40 360
50 450
Tabulka 5 Pevnost multifilamentů při různých upínacích délkách s 95% IS Zákrut
multifilamentu [m-1]
Upínací délka [cm]
Průměrná pevnost multifilamentů [N]
95% IS [%]
Dolní mez Horní mez 0
20 7,54 7,51 7,56
40 7,54 7,51 7,57
50 7,44 7,39 7,50
120 + lubrikace
20 7,42 7,39 7,44
40 7,41 7,37 7,45
50 7,36 7,32 7,40
120
20 7,40 7,37 7,43
40 7,37 7,34 7,40
50 7,33 7,30 7,36
220
20 5,90 5,75 6,05
40 5,68 5,54 5,82
50 5,38 5,27 5,49
420
20 5,59 5,44 5,74
40 5,36 5,19 5,54
50 5,44 5,26 5,62
Obrázek 25 Pevnost multifilamentů pří různé upínací délce
Z výsledků je zřejmé, že pevnost multifilamentů klesá s rostoucím zákrutem vlivem vyosení jednotlivých fibril v multifilamentu, což potvrzuje předpoklad. Dále můžeme pozorovat vliv upínací délky na pevnost. V případě pevnosti znamenáváme rozdíly u vyššího počtu zákrutů především 220 m-1, kde sledujeme významný statistický rozdíl na upínací délce 50 cm v porovnání s ostatními upínacími délkami. Tento výsledek může být způsoben vyšší nestejnoměrností fibril v multifilamentu, což potvrzuje také zvýšená variabilita pevnosti u multifilamentů s vyšším zákrutem. Z výsledků je patrné, že povrchová úprava (použití vyhlazovacího oleje) neovlivnila pevnost jednotlivých multifilamentů.
5.2. Výroba experimentální sady vzorků tkanin
Experimentální sada vzorku tkanin je vyrobena ze vstupního POP multifilamentu o jemnosti 167 dtex (osnovní i útková soustava). Osnovní soustava je daná ochranným zákrutem 120 m-1 a útková soustava multifilamantem s různou úrovní zákrutu: 120, 220, 420 m-1. Dostava osnovních nití je konstantní u všech vzorků 16 n*cm-
5 5,5 6 6,5 7 7,5 8
0 100 200 300 400 500
Pevnost [N]
Zákrut [m-1]
Pevnost multifilamentů
upínací délka 20 cm
upínací délka 40 cm
upínací délka 50 cm
Lubrikované multifily UD 20 cm Lubrikované multifily UD 40 cm Lubrikované multifily UD 50 cm
1, dostava útku je v pěti úrovních počtu nití:10, 13, 16, 19, 22 n*cm-1 Na obr. 26 můžeme vidět plošné pohledy tkanin s různými dostavami a zákruty multifilamentů. V následující části bude popsána příprava materiálu pro tkaní a samotný postup jejich výroby.
Obrázek 26 Plošné pohledy experimentální sady vzorků
5.2.1. Proces tkaní
Experimentální sada tkanin byla vytkána na laboratorním jehlovém tkacím stroji CCI s listovým prošlupním zařízením, viz. Obr 27.Experimentálně byla připravena sada vzorků tkanin v pěti dostavách. Jednotlivé dostavy útku byly zapisovány do řídící jednotky stroje. Záchytné kraje tkaniny byly provázány pomocí perlinky, a následně byly odstřiženy. Všechny tkaniny (kombinace všech dostav a zákrutů) byly navíjeny na zbožový vál a v místě mezi jednotlivými tkaninami bylo vetkáno pár útků barevné příze pro jejich oddělení. Každá tkanina byla oddělena svou specifickou barvou pro její rozeznání.
Obrázek 27 Laboratorní tkací stroj Základní parametry tkaniny a tkacího stroje:
Dostava osnovy: 16 n*cm-1
Dostava útku: 10,13,16,19, 22 n*cm-1 Šíře tkaniny: 50 cm
Návod do paprsku: 2 nitě do zubu Hladký návod do 4 listů
Celkový počet nití: 800 Vazba: plátno
Technické parametry stroje:
Šíře paprsku: 54 cm Číslo paprsku: 80 Prošlupní ústrojí: listové
Prohozní ústrojí: jehlové (jedna tuhá jehla) Otáčky stroje: 30 ot*min-1
5.2.2. Experimentální zjišťování pevnosti tkanin
Pevnost tkaniny dle normy je měřena pro osnovní směr a útkový směr při jednoosém namáhání. Základní cíl diplomové práce je hodnocení vstupních parametrů konstrukce tkaniny na pevnost tkaniny v daném směru. Z důvodu využití multifilamentu s různou úrovní zákrutu pouze v útkové soustavě, bude tento směr hlouběji hodnocen.
Testování probíhalo na přístroji Testometric viz. obr. 28 podle normy ČSN EN ISO 13934-1 80 0812. Stroj byl osazen čelistmi viz. obr. 29. Na přístroji byla nastavena rychlost příčníku na 100 mm*min-1 a upínací délka 20 cm. Tyto nastavení přístroje byly pro všechny tkaniny totožné. Pro útek (hlavní směr) bylo testováno 10 vzorků a ve směru osnovy 5 vzorků pro všechny tkaniny. Následně byla odstraněna vybočující data, aby byl splněn předpoklad normality a homogenity dat a ze zbývajících hodnot vypočítán aritmetický průměr a 95% IS viz. tab. 6. Pro porovnání všech typů tkanin (kombinace dostav a zákrutů) byl dále zkonstruován graf viz. obr. 30. pevnosti ve směru útku a graf viz. obr. 31 pevnosti ve směru osnovy. V Příloze 3 nalezneme tabulky a grafy s výslednými hodnotami tažností tkanin.
Obrázek 288 Trhací stroj Testometric
Obrázek 299 Upínací čelisti
Tabulka 6 Experimentální pevnosti tkanin s 95% IS Zákrut
útku [m-
1]
Dostava útku [n*cm-1]
Průměr pevnost osnovy [N*5cm-1]
95% IS pevnosti osnovy
[%]
Průměrná pevnost útku
[N*5cm-1]
95% IS pevnosti útku
[%]
Spodní mez
Horní mez
Spodní mez
Horní mez
120 10 522,80 510,47 535,13 373,32 369,73 376,90
13 537,95 528,20 547,68 484,13 477,93 490,33
16 537,80 501,63 573,97 636,10 626,69 645,51
19 538,75 529,85 547,66 711,80 706,26 717,34
22 557,60 536,23 578,97 840,15 825,25 855,06
220 10 531,50 489,03 573,97 290,50 284,91 296,09
13 544,90 528,46 561,34 380,41 365,75 395,07
16 561,00 541,55 580,45 437,71 424,00 451,42
19 541,20 534,90 547,50 628,75 623,99 633,51
22 547,70 543,32 552,09 749,10 740,00 758,20
420 10 549,40 540,63 558,17 247,07 243,19 250,94
13 537,55 525,91 549,20 306,00 298,87 313,13
16 558,05 537,91 578,19 411,46 403,17 419,76
19 561,05 547,49 574,61 441,70 429,32 454,07
22 568,00 554,57 581,43 513,19 496,86 529,52
Obrázek 30 Graf experimentální pevnosti tkanin směr útku s vyznačením lineární regrese 200
300 400 500 600 700 800 900
10 12 14 16 18 20 22 24
Pevnost tkaniny -útek [N*5cm-1]
Dostava útku [n*cm-1]
exp. Pev.
120 m-1
exp. pev.
220 m-1
exp. pev.420 m-1
