Главная

Лабораторная работа

Тема: Исследование тканых наполнителей

для композиционных материалов

Задание № 1. Определение структурных параметров тканых наполнителей

Цель работы: изучить методики определения структурных параметров тканых наполнителей на основе волокон различной природы.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №1

Элементарные волокна или однонаправленные наполнители (нити, ровинги) используются для получения листовых волокнистых наполнителей. К ним относят тканые или нетканые материалы: ткани, ленты, сетки, холсты, маты.

Ткань образуется на ткацком станке из двух систем нитей, расположенных взаимно перпендикулярно и переплетенных друг с другом в определенной закономерности. Нити, расположенные параллельно одна другой и идущие вдоль ткани, являются основанием ткани и называются основой. Нити, расположенные поперек ткани называются утком.

В зависимости от схемы переплетения нитей основы и утка образуются тканые наполнители различной структуры (рис.1 а–в).

В тканях полотняного переплетения основа и уток взаимно переплетаются через одну нить (рис. 1, а). В тканях саржевой структуры основа и уток переплетаются через две нити (рис. 1, в). На поверхности такой ткани образуется характерный узор из диагональных полос. В тканях сатинового переплетения каждая из нитей основы (утка) огибает за один период неодинаковое число нитей утка (основы) – три, пять, семь или больше (рис. 1, б).

Рис. 1. Виды переплетений тканого наполнителя:

а – полотняное; б – сатиновое; в – саржевое

Особую форму переплетения имеют объемные ткани, в которых нити основы и утка переплетаются еще нитью в перпендикулярной плоскости.

Другим характерным параметром для описания тканых материалов является ее плотность, которая характеризует количество нитей на единицу ширины (по основе) или длины (по утку) ткани. Плотность ткани характеризует частоту расположения нитей в ткани. Чем дальше расположены нити одна от другой, тем плотность меньше, т. е. ткань реже. Чем ближе расположены нити одна к другой, тем плотность больше, т. е. ткань плотнее.

Толщина ткани зависит от толщины нитей или от номера пряжи, из которой она выработана, и от ее строения. Толщина колеблется от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.

II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Оборудование и материалы: ткани различной текстуры на основе волокон различной природы, весы, микроскоп, лупа, линейка, пинцет, игла, ножницы.

Ход работы. Перед началом анализа из полотнища ткани вырезают образцы и отделяют от кромок надрезанные нити, чтобы размер неповрежденного образца составил 100×100 мм.

1. Определение лицевой и изнаночной стороны

Определение лицевой и изнаночной стороны проводят по следующим признакам:

– у тканей, имеющих основу и уток из волокон различного вида, лицевая сторона изготавливается из более дорогих нитей;

– у художественно-декоративных тканей лицевая сторона имеет ярко выраженный рисунок;

– ткани, у которых между лицевой и изнаночной стороной нет заметной разницы, считают двухсторонними, или двухлицевыми, поэтому любая из сторон может быть принята за лицевую.

2. Определение нитей основы и утка

Определение нитей основы и утка в образце производят по следующим признакам:

– кромки в образце указывают направление основы;

– при отсутствии кромок направление нитей основы в большинстве случаев можно определить по характеру рисунка переплетения, по роду волокон, по качеству и свойствам пряжи;

– по направлению и степени крутки основа имеет большую крутку чем уток.

3. Определение типа переплетения ткани

Для определения типа переплетения из полотнища ткани вырезают образец размером 100×100 мм и помещают на предметный столик микроскопа.

В образцах тканей, имеющих несложные и ясно видимые переплетения, как, например, полотняное, саржевое и производные этих переплетений, достаточно посмотреть на ткань через лупу и определить вид переплетения сравнивая с изображением на рис. 1, а–в.

В тканях, у которых по внешнему осмотру трудно определить вид переплетения, следует его определять путем разбора образца. Для этого у образца на двух смежных сторонах делают бахрому длиною по 5 мм. Затем на образец устанавливают лупу и при помощи двух игл от образца отодвигают к бахроме последовательно одну нить за другой и зарисовывают переплетение каждой нити.

4. Определение толщины ткани

Отрезки ткани складывают в несколько раз и микрометром измеряют толщину в нескольких местах. Определяют среднее значение толщины ткани путем деления полученного значения по микрометру на число слоев ткани.

5. Определение плотности ткани

Плотность ткани является важным фактором, влияющим на ее строение, и характеризует количество нитей на единицу ширины (по основе) или длины (по утку) ткани. За единицу ширины или длины в стандартах на ткани принято считать 1 см.

В образце ткани осторожно, не нарушая ее плотность и рисунок, отмеряют 5 см по направлению основы и определяют количество нитей на данном участке методом подсчета. Можно применять лупу или микроскоп с небольшим увеличением. Число нитей делят на 5 и получают число нитей на 1 см.

Эксперимент повторяют 3 раза для разных участков на образце. Определяют среднее значение плотности и сравнивают результат с известным значением из стандарта на данную ткань.

Аналогично проводят эксперимент для направления утка.

6. Определение поверхностной плотности ткани

Для определения поверхностной плотности (масса 1 м²) берут образцы ткани размером 100×100 мм в количестве не менее 5 штук. В образцах по краям убирают надрезанные нити и обрезают бахрому. Замеряют размеры образца с точностью до 0,1 мм и взвешивают на лабораторных весах с точностью до 0,01 г. Поверхностную плотность ρ_п, г/см², определяют по формуле

где m – масса пакета из образцов, г; b, l – ширина и длина одного образца соответственно, см; n – число образцов в пакете, шт.

Эксперимент повторяют не менее трех раз, за результат принимают среднее значение всех измерений. Полученное значение сравнивают с известным из стандарта на материал и делают выводы.

Форма отчета по заданию №1

Результаты всех исследований по п. 2–6 заносят в протокол.

ПРОТОКОЛ № ____ от _____________

Исследования структуры тканых наполнителей

1. АППАРАТУРА: (приборы, приспособления; тип и основные характеристики)

2. МАТЕРИАЛ: (тип)

3. ОБРАЗЦЫ: (размеры, количество)

4. УСЛОВИЯ ИСПЫТАНИЙ: (температура, влажность воздуха)

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА:

№ п/п	Материал	Тип переплетения	Толщина, мм	Плотность, нит/см		ρ_п, г/см²
№ п/п	Материал	Тип переплетения	Толщина, мм	основа	уток	ρ_п, г/см²
1
…
Среднее арифметическое значение
Среднее квадратическое отклонение
Коэффициент вариации

Испытания провел:

Литература

1. Стеклянное волокно. Ткани. Нетканые материалы. Метод определения количества нитей не единицу длины основы и утка: ГОСТ 6943.15–94 (ИСО 4602-78). – Взамен ГОСТ 6943.6–79. в части определения плотности; введ. 01.01.1997. – Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации: Белстандарт, 1997. – 8 с.

2. Стеклянное волокно. Ткани. Нетканые материалы. Метод определения массы на единицу площади: ГОСТ 6943.16–94 (ИСО 4605-78). – Взамен ГОСТ 6943.7–94. в части определения линейной плотности; введ. 01.01.1997. – Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации: Белстандарт, 1997. – 8 с.

3. Стеклянное волокно. Ткани. Нетканые материалы. Метод определения толщины: ГОСТ 6943.18–94 (ИСО 4603–78). – Взамен ГОСТ 6943.7–79. в части определения линейных размеров; введ. 01.01.1997. – Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации: Белстандарт, 1996. – 4 с.

Задание № 2. Изучение механических свойств тканых наполнителей

Цель работы: определить механические свойства листовых волокнистых наполнителей (тканей, холстов) различной химической природы и текстуры.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №2

Ткань и нетканые материалы в зависимости от своего назначения должны иметь необходимые физико-механические свойства.

Физико-механические свойства ткани характеризуются разрушающим напряжением и удлинением. Разрушающую нагрузку, предел прочности определяют как по основе, так и по утку.

Удлинение – увеличение длины образца при действии на него растягивающей нагрузки. Обычно удлинение выражается в процентах от начальной длины образца.

II. ПОСТАНОВКА ОПЫТА.

Определение механических характеристик волокнистых наполнителей (нитей, жгутов, тканей) проводят по ГОСТ 6943.10–79. Для испытаний применяют образцы в виде отрезков, закрепленных в рамках.

Образец нагружают до разрушения на универсальной испытательной машине типа Р-05 при скорости перемещения захватов 60–100 мм/мин. Значение приложенных усилий замеряют по шкале силоизмерителя, а для регистрации удлинения используют соответствующую шкалу на испытательной машине или непосредственное измерение удлинения пучков. При необходимости строят диаграмму деформирования.

III. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

1. Определение прочности листовых наполнителей

Оборудование и материалы: отрезки стеклотканей и стекломатов, рамки для закрепления образцов, ножницы, клей, разрывная машина.

Ход работы: Изготовление образцов и проведение испытаний по определению прочности листовых волокнистых материалов проводят в соответствии с ГОСТ 6943.10–79.

Для испытаний применяют образцы в виде отрезков тканей, упрочненных в одном направлении, лент и нетканых материалов длиной не менее 180 мм.

Для тканей вырезают полоски в направлении основы и утка. Ширина полоски должна быть не менее 25±0,5 мм после выдергивания крайних нитей, а оставшиеся нити не должны иметь обрывов.

Из нетканого материала вырезают полоски в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Ширина полоски должна быть не менее 25±0,5 мм при разрывной нагрузке свыше 500 Н и не менее 50±0,5 мм при величине разрывной нагрузки менее 500 Н.

Полученные отрезки закрепляют в рамках с длиной прорези 100 мм. Наклеенные полоски ткани разделяют на образцы, разрезают бумажные накладки и закрепляют в тисочных зажимах испытательной машины, чтобы проклеенная часть выступала на 8–10 мм, а расстояние между зажимами составляло 100±1 мм. Для предотвращения проскальзывания образцов в зажимах используют прокладки из наждачной бумаги, кожи, резины.

Нагружают образцы, включив нижний ход захвата испытательной машины со скоростью 60–100 мм/мин. В момент разрушения фиксируют нагрузку F_р. Разрушающее напряжение σ_р (МПа) находят из соотношения:

где F_р – разрывная нагрузка, Н; – общая площадь нагружаемых волокон, мм²; Т – линейная плотность волокон наполнителя по основе или утку, определяется экспериментально или берется из справочника, текс; ρ - плотность материала наполнителя, г/см³.

За результат принимают среднее арифметическое значение не менее десяти экспериментов. Данные по эксперименту заносят в протокол.

2. Определение удлинения тканых наполнителей

Оборудование и материалы: отрезки ткани, рамки для закрепления образцов, ножницы, клей, разрывная машина, катетометр, штангенциркуль с точностью измерений 0,1 мм.

Ход работы. На подготовленные образцы, закрепленные в рамках, наносят две метки с помощью краски на расстоянии около 25 мм вверх и вниз от середины образца. Нанесение меток и замеры образцов производят аккуратно, не касаясь рабочей поверхности волокон.

Определяют расстояние между метками (катетометром, штангенциркулем) при начальной нагрузке, составляющей 5% от разрушающей. Нагружают образец и определяют расстояние между метками в момент разрушения.

Повторяют испытание 2–3 раза и определяют среднее удлинение ε, %, ткани или нетканого материала по формуле

где l, l₀ – конечное и начальное расстояние между метками соответственно, мм.

Испытания проводят не менее чем на 10 образцах каждого типа исследуемых материалов.

Форма отчета по заданию №2

Полученные данные заносят в протокол.

ПРОТОКОЛ № ____ от _____________

испытания на растяжение листовых наполнителей по ГОСТ 6943.10–79

1. АППАРАТУРА: (приборы, приспособления; тип и основные характеристики)

2. МАТЕРИАЛ: (тип)

3. ОБРАЗЦЫ: (размеры, количество)

4. УСЛОВИЯ ИСПЫТАНИЙ: (температура, влажность воздуха)

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА:

№ п/п	Материал	F_р, Н	l₀, мм	l, мм	А, мм²	σ_р, МПа	ε, %
1
…
Среднее арифметическое значение
Среднее квадратическое отклонение
Коэффициент вариации

Испытания провел:

Литература

1. Стекловолокно. Ткань конструкционного назначения. Технические условия: ГОСТ 19170–2001. – Взамен ГОСТ 19170–73; введ. 01.03.2003. – Минск: ИПК Изд-во стандартов, 2002. – 15 с.

2. Материалы текстильные стеклянные. Метод определения разрушающей нагрузки и удлинения при разрыве: ГОСТ 6943.10–79. – Взамен ГОСТ 6943.10–71; введ. 01.07.1980. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1986. – 8 с.

Задание № 3. Изучение неуравновешенности тканых наполнителей

Цель работы: определить вид неуравновешенности структуры.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №3

Ткани саржевого и сатинового переплетения неуравновешены по рисунку переплетения, т.к. на одной поверхности полотнища (лицевой стороне), например, в направлении основы, преобладают прямолинейные нити основы, на противоположной поверхности (изнаночной стороне) в том же направлении – поперечные уточные нити. Если ткань такой структуры пропитать связующим и отпрессовать из нее однослойную пластинку, то она после охлаждения и извлечения из под плит пресса изогнется, т.к. лицевая и изнаночная стороны пластинки имеют различные термоупругие свойства.

Для тканей любого переплетения, изготовленных из сильно крученых нитей, характерна неуравновешенность по крутке. Крутящие моменты, заложенные в каждую нить, вызывают закручивание ткани и приводят к потере плоскостности тонкостенных пластинок, изготовленных из материалов, наполненных такими тканями.

II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Оборудование и материалы: полоски ткани с различной текстурой и типом волокон, связующее на основе полиэфирной смолы (рецептура приведена в приложении 2), ножницы, линейка, жесткие металлические пластины, термошкаф.

Ход работы. От полотнищ ткани отрезают полоски с размерами 100´100 мм, помечая направление основы и утка.

Готовят связующее на основе полиэфирной смолы по рецептуре, приведенной в приложении 2.

Ткань пропитывают связующим (не менее 30 % мас.) и отверждают между плитами при давлении не более 0,5 МПа и температуре 60°С в течение 20–30 мин. Для предотвращения прилипания пропитанного материала к плитам последние покрывают промасляной бумагой.

После снятия давления отвержденные полоски извлекают и охлаждают до комнатной температуры между холодными металлическими пластинами.

Охлажденные тонкие пластинки анализируют и определяют характер потери плоскостности и ее зависимость от типа переплетения.

Литература

1. Практикум по технологии переработки пластических масс / под ред. В. М. Виноградова, Г. С. Головкина. – М.: Химия, 1980. – 240 с.

2. Практикум по полимерному материаловедению / под ред. П. Г. Бабаевского. – М.: Химия, 1980. – 255 с.

Задание № 4. Изучение деформационных характеристик тканых наполнителей

Цель работы: изучить деформационные характеристики тканых наполнителей, определить изменение пористости в пакете при усилии формования.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №4

Тканые наполнители являются упругими пористыми материалами. При формовании наполнитель подвергается деформированию, при этом изменяется толщина пакета, его пористость, а в волокнах накапливаются упругие деформации и соответствующие им напряжения. Поэтому для получения изделий определенных размеров и монолитного материала с заданным соотношением компонентов необходимо знать о деформационных свойствах наполнителя.

Основной деформационной характеристикой тканых наполнителей является эффективная жесткость, которая зависит от типа использованных для изготовления тканей волокон и порядка их организации. Эффективную жесткость определяют при растяжении наполнителей в направлении основы или утка, а также при сжатии перпендикулярно плоскости наполнителя. Чаще всего величину жесткости определяют по экспериментальному графику давление–толщина. По данной деформационной кривой можно определить изменение пористости материала при увеличении давления.

II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Оборудование и материалы: полоски ткани с различной текстурой и типом волокон, ножницы, металлическая линейка, реверс, разрывная машина, индикатор часового типа с ценой деления 0,01 мм, жесткие металлические пластинки.

Ход работы. Из полотнища ткани вырезают одинаковые полоски с размерами 50×50 мм в направлении основы и укладывают в пакеты, состоящие из 5, 10, 15, 20 слоев. Длина полосок зависит от количества сложений.

На разрывную машину устанавливают реверс и укладывают пакеты из наполнителя между жесткими металлическими пластинками, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Реверс для определения деформативных характеристик

наполнителя: 1, 2 – металлические пластины; 3 – пакет наполнителя;

4 – индикатор часового типа

Перед проведением эксперимента проводят измерение жесткости приспособления, фиксируя его деформацию при нагрузках до 20 кН.

Результаты эксперимента выражают графически в координатах толщина – усилие.

Помещают пакет наполнителя между пластинами и создают начальную нагрузку в 100 Н, при которой измеряют высоту пакета Н₀. Ступенчато повышают нагрузку и фиксируют соответствующую высоту пакета Н_р.

Строят зависимость «высота пакета – усилие». Результаты изменения толщины пакета от усилия представляют в виде графической разности кривых деформации системы и деформации приспособления.

Выражают степень уплотнения пакета в относительных единицах Н_р / Н₀, а нагрузку – в единицах давления и строят кривую в координатах относительная толщина – давление.

Эффективную жесткость пакета наполнителя выражают из соотношения

где p – давление при сжатии пакета наполнителя, Па; H_р, H₀ – толщина пакета при давлении и в исходном состоянии соответственно, мм.

Полученную зависимость жесткости от давления представляют графически.

По кривой нагружения Н_р–p определяют изменение пористости пакета

где П – относительная объемная пористость пакета; m – масса единицы площади тканого наполнителя, кг/м²; n – число слоев ткани в пакете; ρ - плотность волокна, из которого изготовлена ткань, кг/м³; Н_р – толщина пакета при давлении р, мм.

Полученную зависимость пористости от давления представляют графически.

Анализируют влияние толщины пакета на жесткость и пористость при уплотнении, делают выводы.

Литература

2. Практикум по полимерному материаловедению / под ред. П. Г. Бабаевского. – М.: Химия, 1980. – 255 с.

Задание № 5. Изучение поведения тканого материала при пропитке

Цель работы: изучить способность листовых волокнистых наполнителей (тканей, холстов) различной химической природы и текстуры к смачиванию и пропитке.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАДАНИЯ №5

Важнейшей особенностью листовых и объемных наполнителей, в первую очередь тканей, является резко выраженная зависимость их способности к пропитке и смачиванию жидкими композициями от текстуры и направления в плоскости (по утку или основе).

Для проведения эксперимента применяют специальную кювету (рис. 3).

Рис. 3. Кювета для определения смачиваемости наполнителя: 1 – кювета;

2 – полоски наполнителя; 3 – связующее; 4 – крышка кюветы;

5 – уплотнительная прокладка

Способность к смачиванию характеризуется предельной высотой поднятия жидкости по наполнителю и временем достижения предельной высоты.

II. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Оборудование и материалы: полоски ткани с различной текстурой и типом волокон, ножницы, линейка, кювета для определения способности пропитываться жидкими композициями наполнителей, весы, катетометр, связующее на основе полиэфирной смолы.

Ход работы. Готовят 100 г связующего на основе полиэфирной смолы и подкрашивают его несколькими каплями чернил.

Из полотнищ тканей различной текстуры и типа волокон вырезают по одной полоске размером 100×25 мм вдоль основы и утка.

В кювету (рис. 9) наливают связующее в таком количестве, чтобы обеспечить погружение конца полосок на 10–15 мм. Образцы подвешивают на крючки с внутренней стороны крышки кюветы. Для выпрямления образцов к их концам перед погружением подвешивают грузы (1–2% от разрывной нагрузки). Погружают образцы в связующее так, чтобы они не касались стенок кюветы и друг друга, плотно закрывают крышку.

Наводят катетометр на резкость и сразу после погружения начинают замеры подъема границ смачивания с интервалом 2–15 мин (в зависимости от скорости смачивания). Замеры прекращают после установления предельной высоты подъема раствора.

Строят кинетические кривые смачивания – зависимость высоты подъема границы смачивания (от уровня раствора) h от времени, определяют предельную высоту подъема раствора h_¥ и время достижения предельной высоты t_¥.

Анализируют влияние текстуры ткани и направления на способность к смачиванию и делают выводы.

Полученные экспериментальные данные заносят в табл. 1.

Таблица 1

№ п/п	Материал	Направление	h_∞, мм	t_∞, с
1
…

Литература

3. Практикум по полимерному материаловедению / под ред. П. Г. Бабаевского. – М.: Химия, 1980. – 255 с.

Вопросы для подготовки к защите работы

- Чем различаются ткани полотняного, саржевого и сатинового переплетения?

- В какой последовательности и какие параметры определяют при структурном анализе тканых материалов?

- Назовите особенности определения прочности тканых и нетканых наполнителей.

- Как определяют общую площадь нагруженных волокон при испытании тканых материалов на прочность при растяжении?

- Какие механические характеристики тканей определяют?

- Как связаны между собой давление уплотнения пакета, его толщина и пористость?

- Назовите деформационные характеристики тканых наполнителей.

- Назовите основные технологические характеристики связующего и наполнителя, определяющие скорость и качество пропитки.

email: KarimovI@rambler.ru

Адрес: Россия, 450071, г.Уфа, почтовый ящик 21

Теоретическая механика Строительная механика

Прикладная механика Детали машин Теория машин и механизмов

00:00:00