 |
Физические свойства текстильных полотен
|
|
|
|
Гигроскопические свойства
Гигроскопические свойства текстильных полотен характеризуют их способность поглощать и отдавать водяные пары, воду. Поглощение паров осуществляется путем адсорбции, абсорбции и капиллярной конденсации и зависит главным образом от волокнистого состава [4-6]. Способность текстильных полотен и материалов оценивают показателями водопоглощаемости, водоемкости и капиллярности.
Влажность W, %, показывает, какую долю массы текстильных полотен, других материалов составляет влага, содержащаяся в них при фактической влажности воздуха:
(73)
где Wф – масса пробы полотен при фактической влажности воздуха, г; mc – масса сухой пробы, г.
Кондиционная влажность Wк, %, полотен и изделий – влажность условная, принятая в стандартах. Она применяется для полотен с высокой растяжимостью, например трикотажных, когда расчет производится по массе.
Гигроскопичность Wr, %, - влажность текстильных полотен при относительной влажности воздуха, близкой к 100% (98%):
(74)
где m – масса пробы, выдержанной в эксикаторе при относительной влажности воздуха 98 %, г.
Для текстильных полотен при влагопоглощении и влагоотдаче во времени характерен гистерезис – отставание во времени влагоотдачи от влагопоглощения (рис. 25). Начальная влажность пробы Woменьше (для разных полотен по-разному) конечной W48при высыхании.
Рис. 25. Изменение влагопоглощения и влагоотдачи во времени по А.Н.Соловьеву
| В табл. 2 приведена сравнительная характеристика гигроскопичности тканей. |
Таблица 2
Гигроскопичность тканей после выдерживания в течение
Ч (по данным И. А. Димитриевой)
|
|
|
| Ткань | Влажность ткани, % при относительной влажности воздуха | |
| j = 65 % | j = 85 % | |
| Хлопчатобумажная | 6 | 10 |
| Лавсановая | 0,7 | 1 |
| Вискозная | 11,9 | 20 |
| Капроновая | 3,7 | 6 |
Капиллярность текстильных полотен и изделий характеризует поглощение влаги продольными капиллярами материала и оценивается высотой h подъема жидкости в пробе, погруженной одним концом в жидкость на 1 ч Схема определения капиллярности полотен показана на (рис. 26). Один конец полоски 1 полотна крепится в зажиме, другой опускается в сосуд (ванночку) 2. Воду в сосуде подкрашивают для хорошей видимости капиллярности. Время определения капиллярности составляет 1 ч, но для изучения кинетики капиллярности может быть изменено.
Рис. 26. Схема определения капиллярности полотен
| При непосредственном соприкосновении полотен с водой исходит поглощение воды путем диффузии ее молекул веществом полотен, механическим захватом частиц воды. При механическом захвате большая роль принадлежит процессам смачивания и капиллярного впитывания. Смачивание определяется химическим составом волокон и |
нитей, их способностью к адсорбции, характером поверхности. Степень капиллярного поглощения влаги зависит от способности волокон и нитей смачиваться, а также от расположения капилляров в волокнах и нитях, что способствует увеличению капиллярной конденсации. В связи с этим направление капилляров существенно влияет на капиллярное поглощение. Капиллярность зависит не только от свойств, но и строения нитей, составляющих ткань. Длительность замачивания также существенно влияет на капиллярность.
Водопоглощаемость Вв,%, полотен определяется количеством поглощенной пробой воды при полном погружении ее в воду:
(75)
где mв – масса пробы после замачивания в воде, г; m0 – масса пробы до замачивания, г.
Проницаемость
Проницаемость текстильных полотен определяет их способность пропускать через себя частицы воздуха, пара, дыма, пыли, воды, жидкости, радиоизлучения и др., а сопротивление их прониканию – упорность или непроницаемость.
|
|
|
Воздухопроницаемость – это свойство полотен оценивают коэффициентом воздухопроницаемости Вр, показывающим количество воздуха V в кубических метрах, проходящего через площадь полотна S = 1 м2 за время t=1 с при постоянной разности давлений р = р1 – р2 в паскалях:
(76)
При этом, чем выше перепад давления, тем больше воздухопроницаемость. На рис. 30 приведена зависимость воздухопроницаемости тканей от перепада давления.
Рис. 27. Зависимость воздухопроницаемости тканей от перепада давления:
1 – чистошерстяной драп; 2 – мадаполам; 3 – миткаль; 4– суровое полотно; 5 – вольта; 6 – шелковая ткань
| Эту зависимость можно рассчитать по известной формуле акад. X. А. Рахматуллина [6]
 (77)
где Р - перепад давлений; а, b – коэффициенты, зависящие от структуры и толщины полотен и определяемые экспериментально; ВР - воздухопроницаемость при перепаде давления Р.
При малых перепадах давлений Р по Н. А. Архангельскому для плотных и толстых тканей:
|
(78)
где М, К - коэффициенты, которые определяют эмпирически при подстановке экспериментальных данных, измеренных при разных давлениях, например 10 и 50 Па.
При приближенных расчетах можно применять формулу
(79)
где В1 – коэффициент воздухопроницаемости при Р=1 Па; х– показатель, зависящийот структуры ткани (для плотных тканей х = 0,98-1, для редких тканей х = 0,53-0,5).
При постоянном перепаде давлений воздухопроницаемость в основном зависит от пористости, количества и размеров открытых пор, а также от толщины полотен. Воздухопроницаемость зависит от характера пористости. Пористость уменьшается с увеличением закрытых пор в полотнах. Ткани полотняного переплетения имеют меньшую воздухопроницаемость по сравнению с тканями других главных переплетений. Трикотажные полотна обладают большей воздухопроницаемостью, чем ткани саржевого переплетения. По данным работы [13], на воздухопроницаемость влияют температура воздуха и полотна.
|
|
|
Паропроницаемость – это свойство характеризует способность полотен пропускать водяные пары из среды с повышенной влажностью в среду с меньшей влажностью. Паропроницаемость - процесс испарения, диффузия может осуществляться путем конвекции паров через открытые поры, а также путем сорбции и десорбции. В последнем случае паропроницаемость зависит от гигроскопических свойств полотен и разницы между температурой и относительной влажностью воздуха по обе стороны пробы полотна. Коэффициент паропроницаемости, мг/(м2·с):
(80)
где А – количество убывшей воды, мг; S – площадь пробы, м2; t – время прохождения водяных паров, с.
Пылепроницаемость. На пылепроницаемость существенно влияют поверхностная пористость, толщина полотен, размеры частиц, запыленность воздуха. Показателем пылепроницаемости является коэффициент пылепроницаемости Пп, г/(м2·с), выражающийся массой пыли m, прошедшей через пробу площадью S за время Т:
(81)
Водопроницаемость – способность текстильных полотен пропускать воду при перепаде давлений, оценивается коэффициентом водопроницаемости Вq, выражающимся количеством воды в кубических дециметрах, проходящим в 1 с через 1 м2 при постоянном давлении:
(82)
где V – объем воды, прошедший через пробу материала, дм3; S – площадь пробы, м2; Т - время, в течение которого проба пропускает определенный объем воды, с.
Водопроницаемость зависит от толщины, пористости полотен и изменяется в широких пределах.
Водоупорность – сопротивление текстильных полотен первоначальному прониканию через них воды. Водоупорность применяют для оценки брезентов, палаточных полотен, полотен со специальными водоотталкивающими пропитками. В качестве показателей водоупорности применяют минимальное давление воды на испытуемую пробу, вызывающее появление третьей капли воды на противоположной поверхности пробы. Водоупорность определяют на пенетрометрах [5]. В некоторых случаях водоупорность характеризуется временем, по истечении которого третья капля или определенный объем воды проходят через пробу при постоянном давлении воды или при падении капель с определенной высоты.
|
|
|
Водоупорность зависит от пористости полотен. Наличие сквозных пор, не заполняемых даже при набухании увлажненного полотна, снижает водоупорность.
Проницаемость текстильных полотен для радиоактивных изучений a-, b-, g- лучей и потока нейтронов. a-Лучи – положительно заряженные тяжелые частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов (ядер гелия), обладают энергией в несколько мегаэлектронвольт (106 эВ), вылетающих из ядер радиоактивных элементов со скоростью порядка 15 – 20 тыс. км/с. Эти лучи задерживаются тканью, если она имеет высокую плотность.
b-Лучи являются потоком электронов с энергией до нескольких мегаэлектрон-вольт, достигающих скоростей порядка скорости света (до 300 тыс. км/с) [6]. Защитная способность при действии b-лучей повышается с увеличением толщины и плотности тканей, а также с увеличением числа слоев.
g- Лучи представляют собой электромагнитное излучение, аналогичное рентгеновскому, но с очень малой длиной волн (108 см и ниже) и энергиями квантов от сотых долей до сотен мегаэлектрон-вольт.
Нейтроны, не имеющие электрического заряда частицы атомных ядер, на малых расстояниях сильно взаимодействуют с последними. Нейтроны могут обладать разной энергией – от нескольких сотых мегаэлектрон-вольта (медленные нейтроны) до сотен мегаэлектрон-вольт.
Тепловые свойства
К текстильным полотнам в зависимости от их назначения предъявляют различные требования относительно тепловых свойств. Основными тепловыми свойствами текстильных полотен помимо теплопроводности и теплоемкости являются теплостойкость, морозостойкость, огнестойкость.
Теплопроводность текстильных полотен оценивается коэффициентами теплопроводности %, Вт/(м´°С), теплопередачи К, Вт/(м2´°С), тепловым сопротивлением R, м2´°С/Вт, удельным тепловым сопротивлением r, м´°С/Вт:
(83)
(84)
(85)
(86)
где Q – мощность теплового потока, проходящего через пробу полотна, Вт; t – время прохождения теплообмена; b – толщина полотна, м; S – площадь пробы, м2; Т1 и Т2 – температура поверхностей пробы полотна, °С.
Теплопроводность текстильных полотен зависит от многих факторов: волокнистого состава полотен, их структуры, влажности, конвекции и др. Коэффициент теплопроводности К, Вт/(м°С), составляет: для воздуха – 0,02, шерсти – 0,03, шелка – 0,04, льна – 0,04, хлопка – 0,05, воды – 0,6. Поэтому при близких параметрах структуры текстильного полотна разного волокнистого состава имеют разные показатели теплопроводности. На теплопроводность текстильных полотен существенно влияют переплетение, пористость (открытая или закрытая), слоистость, способ образования структуры (тканый, трикотажный, нетканый, комбинированный ткано-трикотажный и др.).
|
|
|
Коэффициент теплопроводности текстильных полотен с повышением их средней плотности повышается в результате уменьшения закрытой пористости. Наличие влажности в ткани приводит к увеличению теплопроводности. Эта зависимость выражается формулой:
(87)
где: lт, lс – коэффициент теплопроводности соответственно влажной и сухой ткани, Вт/(м´К); а - коэффициент (для шерстяных тканей - 0,0024, для хлопчатобумажных - 0,0039); W - влажность ткани, %.
Теплопроводность текстильных полотен с повышением температуры увеличивается. Коэффициент теплопроводности стекловолокна и других изоляционных материалов с повышением температуры изменяется по формуле:
(88)
где l0 – коэффициент теплопроводности при Т = 0°С (для стекловойлока - 0,03); Т - температура, °С;b - эмпирический коэффициент = 0,00022.
Тепловое сопротивление текстильных полотен существенно зависит от их толщины, коэффициента теплопроводности. Оно тем больше, чем больше толщина полотен и чем меньше коэффициент теплопроводности. Учитывая, что коэффициенты теплопроводности l и теплопередачи К текстильных полотен зависят от разных видов передачи тепла (теплопроводности вещества волокон, воздуха в порах, конвекции воздуха, теплоизлучения), фактически коэффициент l является эквивалентным коэффициентом теплопроводности lэ, а коэффициент теплопередачи К - общим (суммарным) коэффициентом теплопередачи К0. При определении характеристики теплозащитных свойств текстильных полотен находят суммарное тепловое сопротивление, характеризующее теплообмен через пакет.
Суммарное тепловое сопротивление, м2´°С/Вт, определяется по формуле:
(89)
где: Rм = b/lэ – внутреннее тепловое сопротивление полотен; Rп =1/a сопротивление теплоотдаче с поверхности полотен; rм = 1/lэ – удельное тепловое сопротивление: b – толщина пробы; lэ – эквивалентный коэффициент теплопроводности, включающий теплопередачу теплопроводностью, конвекцией в структуре полотен, a - коэффициент теплоотдачи с поверхности пробы, характеризующий теплообмен поверхности полотна конвекцией и излучением с более холодной средой (воздухом).
Теплоемкость - способность текстильных полотен и изделий поглощать тепло при повышении их температуры. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость материала. Теплоемкость характеризует тепловую инерцию материала, его поведение при резких колебаниях температуры окружающей среды.
Удельная теплоемкость с, Дж/(кг´°С)103, текстильных материалов, которые составляют следующие волокна [3]:
стекловолокна 0,88
поливинилхлоридные 0,96
полиэфирные 1,13
хлопковые 1,38
льняные 1,51
полиакрилонитрильные 1,55
вискозные 1,63
шелковые 1,67
полиамидные 1,84
полипропиленовые 1,84
шерстяные 1,89
пенополиуретановые 2,14
триацетатные 2,18
Температуропроводность – способность текстильных полотен выравнивать температуру в различных точках, характеризуется коэффициентом температуропроводности а, м2/с:
(90)
где l - коэффициент теплопроводности; со - удельная теплоемкость; rо- средняя плотность материала.
Температуропроводность полотен зависит от волокнистого состава. Так, полотна из хлопка имеют высокую температуропроводность, а полотна из шерсти - низкую Температуропроводность полотен обусловливает скорость их нагревания при влажно-тепловой обработке. Это связано с перемещением влаги от более нагретых участков к менее нагретым. Повышение температуропроводности увлажненных полотен происходит также вследствие более высокой теплопроводности воды.
Методы определения теплозащитных свойств. Показатели теплозащитных свойств текстильных материалов (полотен) определяют методами стационарного и регулярных режимов. Известны разные экспериментальные исследования, выполненные этими методами. Некоторые методы описаны в «Лабораторном практикуме по текстильному материаловедению» [5]. Температуропроводность текстильных полотен и изделий определяют на приборах - a-калориметрах, принцип действия которых основан на теории регулярного режима [14]. Температуропроводность текстильных полотен определяют также с помощью бикалориметра.
Тепло- и термостойкость. Теплостойкость текстильных полотен характеризуется обычно максимальной температурой, выше которой наступает ухудшение свойств, препятствующее использованию полотен. Для многих материалов, в том числе полотен из синтетических волокон и нитей, теплостойкость отражает их способность к размягчению.
Термостойкость характеризует верхний предел рабочих температур в тех случаях, когда наступают необратимые изменения свойств материала (деструкция). Знание теплостойкости необходимо при оценке качества текстильных полотен, применяемых в условиях тепловых обработок, их сушки, продолжительного, но не сильного нагрева, а также при кратковременном нагреве до высоких температур, когда могут произойти изменения свойств. Термостойкость (теплоемкость) зависит в основном от волокнистого состава [4]. Текстильные полотна с высокой термостойкостью (выше 500 °С) являются жаростойкими.
На показатели термостойкости и теплостойкости существенно влияют пористость, толщина, характер поверхности полотен. При небольшом, но длительном нагреве происходит постепенное ухудшение свойств текстильных полотен, т. е. явление, получившее название теплового старения.
Морозостойкость. Это свойство текстильных полотен и изделий характеризует их способность в увлажненном состоянии выдерживать без разрушения многократное замораживание – оттаивание без видимых признаков разрушения и ухудшения прочности. Основной причиной разрушения материала при низких температурах является расширение воды, заполняющей его поры. Морозостойкость зависит в основном от структуры материала. Чем меньше относительный объем пор, доступных для проникания воды, тем выше морозостойкость. Повышения морозостойкости текстильных полотен можно достичь в результате увеличения доли закрытых пор, повышения плотности наружных слоев материала или гидрофобизации его поверхности. Морозостойкость текстильных полотен из негигроскопичных или малогигроскопичных волокон (нитей) значительно выше, чем полотен из широко распространенных растительных волокон (хлопка, льна), а также из многих химических волокон, у которых при охлаждении не происходит фазового перехода воды, содержащейся в волокнах.
При снижении температуры до – 50 °С разрывная нагрузка тканей из химических нитей возрастает на 35 – 50 %, а разрывное удлинение тканей при пониженных температурах уменьшается на 10 - 30 % [14]. С понижением температуры существенно снижается также устойчивость к многократным изгибам и истиранию.
При пониженных температурах влага переходит из жидкой фазы в твердую (лед), что и влияет на свойства материала, так как объем влаги в твердой фазе больше. В результате увеличивается жесткость полотен при механических воздействиях всех видов.
Огнестойкость. Воздействием на текстильные полотна огня определяется их огнестойкость. По стойкости к пламени огня полотна разделяются на негорючие (асбестовые, стеклянные, углеродные, хлориновые и др.), загорающиеся, но прекращающие горение и тление после удаления из пламени (шерстяные, полиэфирные и др.), и горючие, продолжающие гореть и тлеть после удаления из пламени (хлопчатобумажные, лубяные, вискозные и др.).
Оценка огнестойкости проводится по воспламеняемости, легкости возгорания и горючести (скорости возгорания). Испытания текстильных полотен на огнестойкость проводят при вертикальном, наклонном (45°), горизонтальном положении элементарных проб с использованием нагретой проволоки. В качестве показателей огнестойкости текстильных полотен применяют следующие:
- воспламеняемость - легкость или отсутствие возгорания, характеризуемые температурой и временем воспламенения пробы;
- горючесть – скорость горения пробы, продолжительность остаточного горения в секундах, время горения пробы после удаления ее из зоны огня;
- продолжительность остаточного тления - время в секундах свечения пробы после ее удаления из зоны огня;
- обугливаемость - высота в миллиметрах почерневшего участка в результате термического разрушения волокон и нитей пробы.
Оптические свойства
Оптические свойства дают возможность оценивать способность текстильных полотен количественно и качественно изменять световой поток, в результате чего проявляются их цвет, блеск, прозрачность и белизна.
Световой поток Ф – видимая часть спектра электромагнитных излучений. Часть Фо отражается от поверхности, часть рассеивается при прохождении через материал, часть Фt проходит:
(91)
Показателями свойств являются коэффициенты отражения r0 = Фо/Ф, поглощения a = Фa/Ф, пропускания t = Фt/Ф.
Отражательная способность полотен, так же как поглощение и рассеивание, зависит от их строения, поверхности, переплетения, химического состава волокон и нитей, молекулярного строения, красителя и др.
Ткани атласного переплетения имеют очень высокую отражательную способность. Полотна с длинным ворсом также обладают достаточно высокой отражательной способностью. Наоборот, полотна из текстурированных нитей, аппаратной пряжи, нитей с высокой круткой (креповой) рассеивают световой поток.
Существенное влияние оказывают также красители, которые проявляют большую избирательную способность к поглощению светового потока. Избирательность поглощения зависит от количества и характера распределения частиц красителя в волокнах. Естественно, полотна с малым поверхностным заполнением хорошо пропускают свет.
Текстильные полотна могут иметь ахроматические и хроматические цвета. При равномерном поглощении полотнами света имеют место ахроматические цвета: белый цвет при полном отражении, черный цвет при полном поглощении и серый цвет при неполном поглощении. Эти цвета по светлоте различаются значениями коэффициента отражения.
Зрительное восприятие цвета – сложный психофизический процесс, результат преобразования видимого излучения зрительным аппаратом человека. Основной качественной характеристикой ощущения цвета для полотен является цветовой тон. Различие цветовых тонов оценивается цветными порогами. Всего в видимом спектре насчитывается около 130 порогов, во внутренних цветах – 20-30 порогов.
Различие двух ощущений цвета при одном и том же цветовом тоне, но разной степени хроматичности характеризуется насыщенностью, которая оценивается порогами насыщения. Наибольший порог насыщения у спектральных цветов и нулевой у ахроматических. Большое число порогов насыщения приходится на коротковолновую и длинноволновую части спектра.
Для оценки цвета текстильных полотен важное значение имеет количественная характеристика цвета – светлота, показывающая степень общего между данным цветом и белым. Светлота несамосветящихся тел зависит от их световых свойств, в том числе от отражательной способности, изменения яркости.
Прозрачность – это свойство текстильных полотен связано с ощущением проходящего через полотно потока излучений, что дает представление о глубине наблюдаемого материала. Прозрачность зависит от поверхностного заполнения, переплетения, прозрачности волокон и нитей. Особенно значительна прозрачность тканей, трикотажа, выработанного ажурными или подобными им переплетениями. Прозрачность как явление может ощущаться со стороны падающего потока света, когда он проходит через полотно, дважды отражаясь от поверхности, на которой расположен материал. Большое значение имеет прозрачность полотен или изделий при действии ультрафиолетовых лучей. Известно, что облучение ультрафиолетовыми лучами в умеренных дозах полезно человеку, а в больших, чрезмерных приносит вред. Прозрачность полотен к излучениям характеризуется коэффициентом пропускания Кпр, для определения которого используют спектрофотометры. Коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения для плотных целлюлозных тканей составляет 0,01 - 0,1.
Электрические свойства
Наиболее важными показателями электрических свойств текстильных полотен и изделий являются электризуемость, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость.
Электризация текстильных полотен имеет поверхностный эффект, возникающий в результате взаимодействия (трения) между двумя поверхностями. При трении электризация повышается, так как возникают новые и нарушаются прежние контакты трущихся поверхностей. Кроме того, в процессе трения повышаются поляризация и диполяризация молекул вследствие увеличения подвижности диполей из-за выделения тепла и более легкой ориентации диполей. Электрические заряды могут возникать не только при трении, но и при растяжении и сжатии.
Для текстильных полотен электрическую прочность (пробивную напряженность) Еп определяют отношением напряжения, при котором происходит пробой f полотна, к его толщине:
(92)
где Uп – напряжение, при котором происходит пробой, кВ; b – толщина текстильного полотна или материала, мм.
Явлению пробоя, как и для волокон и нитей [4], сопутствует внезапное падение сопротивления пробы полотна (изоляции) до малого значения, в результате чего диэлектрик (исследуемая проба) разрушается, происходит плавление или прожигание пробы (диэлектрика). Пробивное напряжение полотен возникает в основном по воздушным порам, поэтому после пропитки полотен воздушные поры ликвидируются, и пробивная напряженность резко возрастает.
Электризуемость определяется следующими показателями: напряженностью Е электрического поля, величиной заряда q, поверхностной плотностью s, полярностью заряда, удельным объемным сопротивлением rv, удельным поверхностным сопротивлением Rs:
- напряженность электрического поля, В/м, 
.
где f – сила, которую испытывает заряд q; Н – расстояние до заряженного тела; U – потенциал.
- поверхностная плотность, Кл/см2, s = q/S, где S - поверхность пробы, см2.
- удельное объемное сопротивление, Ом ´ см, 
,
где R – сопротивление полотен, Ом; Sп – площадь пробы, см2; V – объем пробы, см3.
- поверхностное сопротивление, Ом/см2, RS = R/S.
Помимо теплового пробоя полотен (диэлектриков) возможен электрохимический пробой [15]. Он связан с изменением химического состава и структуры полотен под действием электрических разрядов в окружающей среде внешнего электрического воля (электрическое старение). Эти процессы очень медленные.
Диэлектрическая проницаемость – способность текстильных полотен реагировать на внешнее электрическое поле e:
(93)
где С – емкость конденсатора, заполненного пробой полотен; С0 – емкость конденсатора с воздушным диэлектриком.
Необходимо иметь в виду, что диэлектрическая проницаемость зависит от влагосодержания полотен и частоты тока. Характеристикой потерь электрической мощности переменного тока в диэлектрике является тангенс угла потерь d:
(94)
где d - угол потерь (d = 90° - j, где j - угол сдвига между током и напряжением для реального конденсатора); w - угловая частота тока; С - емкость конденсатора; R - активное сопротивление; G - активная проводимость; f - частота переменного тока.
Акустические свойства
Акустические свойства характеризуют отношение материалов к звуку. Для текстильных полотен и изделий очень важны в первую очередь их отношение к поглощению звука и звукоизоляция. Показатели акустических свойств следующие:
- коэффициент звукопоглощения 
;
- коэффициент отражения 
;
- коэффициент звукопроводности 
.
В таб. 3 приведены коэффициенты звукопоглощения на низких и высоких частотах для некоторых текстильных материалов.
Таблица 3
|
|
|
