к.т.н., доц. Ткачук Г. С.

Хмельницький національний університет

ВПЛИВ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ШЛІХТИ НА МІЦНІСТЬ ТА ЕЛАСТИЧНІСТЬ БАВОВНЯНОЇ ПРЯЖІ

На вітчизняних текстильних підприємствах нині провідне місце посідає виробництво бавовняних тканин. Як основний компонент шліхтувальних композицій використовують крохмалі, що є відносно дешевими, мають надійну сировинну базу та повністю біологічно розщеплюються без шкоди довкіллю. Але, як відомо, плівки утворені крохмалем, мають незадовільний комплекс фізико-механічних показників. Вартість шліхти, в залежності від виду клейової речовини, може сягнути 23–78 % собівартості процесу шліхтування. Незважаючи на велику кількість шліхтувальних препаратів, що відомі, жоден із них не задовольняє складному комплексу вимог з економічної, технологічної чи екологічної точки зору [1]. Тому пошук, наукове обґрунтування, та розроблення енерго- та ресурсоощадних технологій шліхтування, які з одного боку скоротять використання крохмалів, а з іншого – синтетичних препаратів і хімічних матеріалів, знизять навантаження на навколишнє середовище – є актуальною задачею. Нами запропоновано до складу крохмальної шліхти для бавовняних основ вводити закріпники плівок і гігроскопічні додатки каоліну та алюмокалієвих квасців, застосування яких дозволить покращити технологічні показники шліхти, ошліхтованої пряжі та процесу ткацтва.

Крохмальні шліхтувальні склади з додаванням 0,5 % каоліну або квасців та 0,8 % м’яких парафінів від маси крохмалю в порівнянні із традиційними крохмальними шліхтувальними складами мають: на 20–30 % нижчу силу поверхневого натягу та величину крайового кута змочування; на 15 % більшу величину адгезії, що зумовлює на 15–20 % збільшення величини приклею при тому самому вмістові клейової речовини у шліхтувальному складі. Розроблені шліхтувальні композиції мають у 3–4 рази довший час поглинання парів води при збільшенні вологості середовища, що покращує стабільність пружно-еластичних властивостей плівок шліхти та зменшення їх склеювання в основі на ткацькому верстаті при коливаннях вологотемпературних режимів [2].

Дослідження в’язкісно-реологічних властивостей гелів розроблених шліхтувальних складів показали, що вони є рідкоподібними тілами Оствальда. Їх динамічна в’язкість не є сталою, а залежить від дотичного напруження зсуву. Псевдопластичний характер течії гелів описується рівнянням Оствальда – де Віля. При додаванні до крохмальних клейстерів квасців та каоліну в кількості 0,5 % від маси крохмалю системи не структуруються, і не збільшується їхня в’язкість у порівнянні з традиційними крохмальними гелями. При цьому на 10–15 % підвищується ступінь тиксотропного відновлення систем, що є сприятливим для формування кількісного та якісного приклею на нитці основи при шліхтуванні та для ефективного проведення процесу шліхтування на високих швидкостях [3].

Метою даних досліджень є вивчення механічних властивостей ткацьких основ, ошліхтованих запропонованими шліхтувальними складами.

Механічні показники міцності шліхтованої пряжі визначали згідно з ГОСТ 6611.2–73 «Нити текстильные. Методы определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве» з використанням автоматизованої розривної машини з діаграмним пристроєм 2038 Р-0,05.

Об’єкт випробувань – кардна бавовняна основна пряжа 29 текс: 1) нешліхтована; 2) шліхтована традиційною крохмальною шліхтою; 3) оброблена крохмальною шліхтою, яка містить також, каолін та м’які парафіни; 4) оброблена шліхтою, яка відрізняється від попередньої серії випробувань заміною у її складі каоліну на алюмокалієві квасці.

Робоча довжина нитки становить 500 мм при температурі навколишнього середовища 20 °С і відносній вологості повітря 60 %. Кількість випробувань в кожній серії визначали з міркувань забезпечення достатньо високої надійності одержаних результатів і висновків. Для цього використовували таблицю достатньо великих чисел [4, с.12] із задаванням величини ймовірності P і допустимої похибки ε. Як правило, в наукових дослідженнях приймають P від 0,95 до 0,99, а ε – від 0,01 до 0,10. Прийнявши P = 0,96 та ε = 0,07, одержали кількість випробувань в одній серії n = 215.

Напівциклові розривні характеристики одержали шляхом розтягу зразків за методикою [5] відповідною до ГОСТ 6611.2–73. При автоматичному запису кривої «зусилля–деформація» фіксується розривальне зусилля P_P та абсолютне видовження нитки на момент розірвання Δl.

Гіпотезу про нормальний характер статистичного розподілу розривального зусилля перевіряємо за критерієм відповідності А. Н. Колмогорова [6, с.157]. Як міру розходження між теоретичним і статистичним розподілом А. Н. Колмогоров прийняв максимальне значення модуля різниці між статистичною функцією розподілу та теоретичною функцією. За табл. 7.6.1 [6] визначаємо ймовірність того, що величина P_P дійсно розподілена за законом F(P_P). Значення ймовірності є достатньо високим. Отже, прийняття гіпотези про нормальний закон розподілу розривального зусилля є правомірним. Оскільки між відносним видовженням нитки під час розірвання та розривальним зусиллям має місце пряма пропорційна залежність, то статистичний розподіл відносного видовження нитки також є нормальним. Оброблення нитки шліхтою не впливає на характер розподілу цих величин [7].

У табл. 1 і на рис. 1 подано статистичні характеристики розривального зусилля P_P та відносного видовження на момент розірвання ε = Δl / l, %. Статистичну обробку результатів дослідів проводили з використанням відомих залежностей [4], де: m_x – математичне сподівання параметра «x», σ_x – середньоквадратичне відхилення, k_x – середня похибка, V_x – коефіцієнт варіації, p_x – показник точності.

Усереднені криві розтягу нешліхтованої та шліхтованих ниток (див. рис. 1) мають характер монотонного зростання і жорсткий характер (dP/dε зростає зі збільшенням ε).

Шліхтування бавовняної нитки традиційною крохмальною шліхтою призводить до підвищення розривального зусилля у порівнянні з нешліхтованою ниткою більше, як на 20 % і, разом із тим, до зниження відносного видовження на момент розірвання нитки з 6,3 % до 4,5 %, що становить 28,5 %.

Таблиця 1

Статистичні характеристики розривного зусилля та відносного розривного видовження нитки

Нитка, її оброблення	Розривальне зусилля					Відносне видовження
	mp	σp	kp	Vp	pp		mε	σε	kε	Vε	pε
	Н	Н	Н	%	%		%	%	%	%	%
Нешліхтована	3,19	0,44	0,13	10,4	3,05		6,30	0,69	0,27	14,7	4,44
Традиційна крохмальна шліхта	3,75	0,55	0,17	20,0	4,0		4,50	0,78	0,17	19,2	4,3
Крохмальна шліхта з каоліном	4,05	0,42	0,15	19,0	5,5		5,12	0,65	0,23	24,0	4,7
Крохмальна шліхта із квасцями	4,12	0,53	0,18	26,0	4,8		5,40	0,56	0,19	17,0	3,8

Шліхтування нитки шліхтою з додатками каоліну призводить до збільшення розривального зусилля на 25 %, а шліхтою з додаванням квасців – на 31 %. Однак при цьому збільшується відносне видовження на момент розірвання нитки на 19 % у обох випадках у порівнянні з ниткою, що шліхтована традиційною крохмальною шліхтою. Отже, нитки, шліхтовані за запропонованою технологією мають знижене падіння відносного видовження на момент розірвання, що є сприятливим при їхньому подальшому переробленні у ткацтві.

За напівцикловими розривними характеристики нитки визначили повздовжну жорсткість ниток за формулою [7, с. 14]

,

(1)

де P_P – розривальне зусилля, Н,

ε_p – відносне видовження на момент розірвання, %.

Жорсткість є величиною змінною в межах розтягу до розірвання, найбільше її значення відповідає моменту розірвання. Значення жорсткості нитки подано в табл. 2. Шліхтування основ завжди призводить до збільшення величини жорсткості нитки, проте оброблення пряжі запропонованою шліхтою зменшує цей показник: на 5,5 % для шліхти з каоліном і на 17,0 % для шліхти із квасцями порівняно із традиційним обробленням.

Таблиця 2

Поздовжна жорсткість і показники видовження пряжі

Пряжа, її оброблення	Поздовж-на жорст-кість С, сН	Зміна жорстко-сті у порівнян-ні з нешліхто-ваною пряжею	Частка компонента деформації від повної, %
			Швидкооборотна	Повільнооборотна	Залишкова
Нешліхтована	5020	–	25	11	64
Традиційна крохмальна шліхта	8320	1,66	35	17	48
Крохмальна шліхта з каоліном	7880	1,57	39	21	40
Крохмальна шліхта із квасцями	7680	1,37	42	24	34

Визначення компонентів деформації нитки проводилося з метою виявлення, чи впливає і наскільки саме, оброблення пряжі шліхтою запропонованих складів на відносне значення частки компонентів повної деформації нитки [6, с. 166], яке полягає у використанні запису діаграмним приладом розривної машини 2038 Р-0,05 процесу навантаження зразка до значення 30 % від розривального, із наступним його повним розвантаженням та з відпочинком цього розвантаженого зразка (див. рис. 2). Відповідно до рекомендацій [5, с. 168], у проведених нами дослідах тривалість навантаження та розвантаження становить 15 хв. Тривалість відпочинку після зняття навантаження становить 90 хв, що відповідає вимогам ГОСТ 28890–90 «Нити текстильные. Методы определения полного удлинения при растяжении нитей нагрузкой, меньше разрывной». Проводили також досліди із записом повторення кількох (двох, трьох) циклів навантаження–розвантаження та зображенням відповідних гістерезисних петель (див. рис. 3).

Рис. 2. ілюструє схему навантаження – розвантаження пряжі за один повний цикл із відпочинком та утворення компонентів деформації нитки, де l – деформація нитки за повний цикл навантаження, їй відповідає відрізок OD осі абсцис; l₁ – швидкооборотна складова деформації, їй відповідає відрізок BD осі абсцис; l₂ – повільно-оборотна складова деформації, їй відповідає відрізок CB осі абсцис;                                                                                l₃ – залишкова складова деформації нитки, що вимірюється відрізком OC.

На рис. 3 показані приклади дослідних залежностей видовження пряжі від навантаження при кількох його циклах та обробленні шліхтою різних складів. Оброблення пряжі традиційною крохмальною шліхтою призводить до помітного збільшення швидкооборотної частки деформації (15 %) та зменшення залишкової її частки (27 %). Оброблення нитки шліхтою з додаванням каоліну дає відповідні показники на рівні 17 % і 39 %, а шліхтою із квасцями – 18 % і 48 % відповідно.

Рис. 3. Діаграми навантаження – роз-вантаження бавовняної пряжі: 1 – нешліхтованої; шліхтованої крохмаль-ною шліхтою: 2 – традиційною, 3 – з каоліном, 4 – із квасцями

Для ефективності процесу ткацтва важливе не лише зміцнення пряжі на розрив, але її еластичні властивості. Для ефективного перероблення потрібно, щоб еластичні показники плівки були не нижчими за відповідні показники нитки основи. При деформації розтягом відбувається зміна конформації макромолекул плівки (крохмалю) зі спіральної у лінійну, а також перегрупування молекул, їх орієнтація у напрямку силової дії. Відбувається руйнування старих та виникнення нових між-молекулярних взаємодій.

Подібні перегрупування

вимагають додаткового часу, тому повільнооборотна деформація проходить подібно до релаксаційного процесу, що перебігає у часі і призводить до стану рівноваги лише за тривалий проміжок часу. Ось чому надлишкове зміцнення структури плівки є небажаним [5]. Із результатів досліджень видно, що еластичні властивості ниток визначаються в першу чергу не адгезійними, а когезійними властивостями плівок.

Висновки. Залежності «видовження–навантаження розтягом» дослідної бавовняної пряжі є жорсткими: зростання навантаження випереджає зростання деформації. Оброблення пряжі запропонованими складами шліхти збільшує розривальне зусилля з 3,15 Н до 4,18 Н і при цьому майже вдвічі зменшує падіння видовження на момент розірвання (з 28,5 % для традиційної шліхти, до 14,3–18,7 % – для запропонованої). Шліхтування основ будь-якою шліхтою призводить до збільшення величини жорсткості нитки, проте оброблення запропонованою шліхтою зменшує цей показник на 5,5–17,0 % порівняно із традиційною. 

Застосування шліхти, що містить додатки каоліну або квасців, призводить до посилення еластичних властивостей нитки основи. При цьому збільшується повільнооборотна складової повної деформації на 40 %, і зменшується залишкова складова на 29 % у порівнянні з пряжею, шліхтованою традиційною крохмальною шліхтою, і приблизно на 100 % у порівнянні з нешліхтованою ниткою.

Викладені у висновках положення свідчать про суттєве поліпшення механічних показників основної пряжі, ошліхтованої запропонованими шліхтувальними складами, що є передумовою підвищення ефективності процесу ткацтва.

Література

1. Ткачук Г. С. Сучасний стан та перспективи розвитку технології шліхтування основ у текстильній промисловості / Г. С. Ткачук // Вісник Хмельницького націонал. ун-ту. – 2007. – Т. 1. – № 6. – С. 87–93. 

2. Ткачук Г. С. Поверхневі явища та гігроскопічні властивості нових шліхтувальних композицій / Г. С. Ткачук, В. Ю. Щербань // Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2009. – № 2/5 (38). – С. 10–14.

3. Ткачук Г. С. Реологічні властивості крохмально-каолінових систем / Г. С. Ткачук, В. Ю. Щербань // Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2009. – № 3/5 (39). – С. 9–11.

4. Митропольский А. К. Техника статистических вычислений / А. К. Митропольский. – М. : изд-во «Наука». – 1971. – 576 с.

4. Кукин Г. Н. Текстильное материаловедение / Г. Н. Кукин, А. Н. Соловьев, А. И. Кобляков. – М. : Легпромбытиздат. – 1989. – 352 с.

5. Вентцель Е. С. Теория вероятности / Е. С. Вентцель. – М. : изд-во «Наука». главная редакция физ-мат литературы. – 1969. – 575 с.

6. Справочник. Хлопкоткачество / под ред. П. Т. Букаева. – М. : Легпромбытиздат. – 1987. – 576 с.