Тема 5 Физические свойства Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности
реклама
Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности Тема 5 Физические свойства Общая характеристика темы Физические свойства материалов для одежды обеспечивают выполнение гигиенических требований, предъявляемых к ней. Кроме того, они позволяют обеспечить выполнение технологических требований, в частности влияют на выбор параметров ВТО, на процессы настилания, на затраты времени по уходу за изделием и т.д. Физические свойства характеризуют способность материалов к поглощению, проницаемости, электризуемость, тепловые, оптические свойства. Перечень подтем темы 5 • • • • • Данная тема включает в себя следующие подтемы: 5.1. Поглощение. 5.2. Проницаемость. 5.3. Тепловые свойства. 5.4. Электризуемость. 5.5. Оптические свойства. 5.1. Поглощение Текстильные материалы способны к поглощению различных веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях. В зависимости от окружающих условий материалы могут удерживать поглощенные вещества, либо отдавать их в окружающую среду. Чаще всего, поглощение сопровождается изменением как механических (прочность, растяжимость, жесткость и т.п.) свойств, так и физических (теплозащитные, оптические, электростатические и т.п.), размеров и массы материалов. Наиболее часто материалы взаимодействуют с водой либо водяными парами. Поэтому наиболее важны гигроскопические свойства Перечень вопросов, рассматриваемых в подтеме 5.1. • 5.1.1. Гигроскопические свойства материалов • 5.1.2. Гигроскопические свойства материалов при контакте с жидкой влагой • 5.1.3. Процессы, сопутствующие поглощению водяных паров и жидкой влаги 5.1.1. Гигроскопические свойства материалов Гигроскопические свойства – способность текстильных материалов поглощать и отдавать водяные пары и воду. Основные термины и определения • Сорбция - физико-химическое явление поглощения волокнами паров влаги. • Десорбция - процесс отдачи водяых паров. Этапы сорбции 1. Адсорбция 2. Абсорбция 3. Капиллярная конденсация Характеристика этапа адсорбции Адсорбция – притягивание поверхностью волокон паров воды, которые образуют на ней плотную полимерную пленку. Причина: не все связи в макромолекулах , находящихся на поверхности, уравновешены соседними макромолекулами. Следует отметить, что из-за пористости волокон поверхность сорбции волокон больше их наружной поверхности. Скорость протекания процесса: Процесс протекает очень быстро, в течение нескольких секунд с момента попадания материала в среду с большей относительной влажностью. Характеристика этапа абсорбции Абсорбция – процесс проникания (диффузии) молекул воды в межмолекулярное пространство, т.е. водяные пары поглощаются всем объемом волокна. Скорость протекания процесса: Процесс абсорбции – медленный, насыщение наступает лишь через несколько часов, т.е. наступает сорбционное равновесие. Капиллярная конденсация При сорбции паров влаги в микрокапиллярах ( r ≤ 10 –5 см) и в замкнутых капиллярах текстильных материалов при полном насыщении волокна водяными парами происходит конденсация паров, в результате чего капилляры наполняются жидкостью. Кривая сорбции и десорбции водяных паров τ, ч сорбция десорбция Рисунок 1 Характер протекания процесса сорбции Процесс сорбции водяных паров неравномерный. В начальный период происходит очень интенсивное поглощение (кривая сорбции идет резко вверх). Затем процесс замедляется, пока не наступит сорбционное равновесие, и поглощение прекращается. Материал при этом имеет определенную влажность, т.е. соответствующую данному сорбционному равновесию, которое называется равновесной влажностью Wp. Для каждой относительной влажности воздуха – своя Wp. Изотермы сорбции водяных паров Если получены зависимости равновесной влажности материала Wp от относительной влажности воздуха φ при постоянной температуре, то такие кривые называются изотермами сорбции водяных паров. Рисунок 2 φ, % Из графиков видно, что при увеличении относительной влажности воздуха φ равновесная влажность материала Wр увеличивается Характер процесса десорбции При изменении окружающих условий (уменьшении относительной влажности воздуха) может наблюдаться процесс десорбции. При этом наиболее интенсивная отдача влаги происходит в начальный момент процесса, по мере приближения к равновесному состоянию скорость процесса десорбции снижается (рис.1, вторая часть кривой). Гистерезис сорбции Wpд Wpс φ, % Рисунок 3 1- изотерма сорбции; 2- изотерма десорбции Изотермы сорбции (кр.1) и десорбции (кр.2) не совпадают, т.к. равновесная влажность при десорбции несколько выше, чем при сорбции, т.е. наблюдается гистерезис сорбции. Причина: влага, находящаяся в межмолекулярном пространстве частично удерживается в волокне из-за неуравновешенности макромолекул волокна. Факторы, влияющие на сорбционную способность 1. Химический состав полимера волокна (наличие гидрофильных реакционноспособных групп в макромолекуле полимера, например, ОН, NH2, СООН, СОNH и т.п., способствует увеличению сорбционной способности) 2. Надмолекулярная структура волокна (Характер расположения макромолекул, степень их упорядоченности, ориентации, степень аморфности и кристалличности структуры, ее пористость определяют размеры активной поверхности сорбции и возможность легкого проникновения молекул воды вглубь волокон). Отделка материала (аппретирование термореактивными смолами, водооталкивающие отделки, пленочные покрытия и т.п. приводят к снижению сорбционной способности) 3. Характеристики сорбционной способности материалов Влажность фактическая, Wф % - показывает, какую часть от массы материала составляет масса влаги, содержащаяся в нем при фактической влажности воздуха. Wф = 100 (mф - mс) / mс , mф – масса материала при фактической влажности воздуха mс – масса абсолютно сухого материала Кондиционная влажность, Wк – влажность при атмосферных условиях, близким к нормальным (φ = 65 % и t = 20˚С). Определяется кондиционной влажностью составляющих волокон Wк = (р1 W1 + р2 W2 ) / 100 W1, W2 – кондиционная влажность составляющих волокон, % р1, р2 – содержание волокон в материале, % Гигроскопичность Wг, % - влажность материалов при φ = 100 % и t = 20˚С. Wг = 100 (m100 - mс) / mс m100 – масса материала при φ = 100 % Характеристики десорбционной способности Влагоотдача Во, % - определяется количеством влаги, отданной материалом в среду с φ=0%, выдержанным предварительно в среде с φ =100%. Во = 100 (m100 - mс.э.) / (m100 – mс), % mс.э – масса материала, выдержанного в эксикаторе с нулевой относительной влажностью воздуха (φ = 0%) 5.1.2. Гигроскопические свойства материалов при контакте с жидкой влагой При непосредственном соприкосновении текстильного материала с водой происходит с одной стороны диффузия молекул воды в полимер, с другой – механический захват частиц воды структурой материала. В последнем случае существенную роль играют связь смачивания и капиллярная связь. Смачивание Смачивание – полное или частичное растекание жидкости по поверхности материала. Характеризуется краевым углом смачивания Q. Q – угол между поверхностью материала и касательной к поверхности раздела воздух – жидкость. Рисунок 4 – Схема процесса смачивания Основное условие смачивания и факторы, влияющие на смачивание материалов Основное условие смачивания: σ пов. > σ ж σ пов. – натяжение на поверхности материалов σ ж. – поверхностное натяжение жидкости Способность к смачиванию зависит от: • химического состава волокон, • характера поверхности (микрорельеф, шероховатость). • способности волокон к адсорбции влаги. Капиллярная связь Капиллярная связь воды с материалом обусловлена подъемом жидкости по макрокапиллярам ( r > 10 –5 см ) при соприкосновении их с поверхностью воды. Эта связь возникает при смачивании стенок капилляров жидкостью с образованием вогнутого мениска (1) Рисунок 5 – Форма мениска: 1-при смачивании стенок капилляров; 2-при отсутствии смачивания стенок капилляров Факторы, влияющие на степень капиллярного поглощения 1. Способность к смачиванию 2. Строение и расположение капилляров в структуре материала Впитывание и перемещение влаги в текстильных материалах происходит по продольным капиллярам, расположенным в пряже и нитях. В поперечном направлении влага не перемещается, т.к. образующиеся поры имеют малую протяженность и большой диаметр (ткань и трикотаж). Характеристики гигроскопических свойств при контакте с жидкой влагой Водопоглащаемость Пв, % - характеризуется количеством влаги, поглощенной материалом при его полном погружении в воду. Пв = 100 (mв - mс ) / mс mв - масса образца после замачивания в воде. mс – масса воздушно-сухого образца Капиллярность h, мм –оценивается высотой поднятия жидкости в образце материала, погруженного одним концом в раствор эозина в течение 1 часа. Смачиваемость, сек – время растекания капли воды по поверхности материала Три способа связи влаги с материалом • • • Химически связанная влага – гидратационная. Физико-химически связанная влага – сорбционная, т.е. влага поглощения водяных паров волокнами (влияет на процессы ВТО, выступая как пластификатор). Физико-механически связанная влага – капиллярная влага, влага смачивания (при ВТО не является пластификатором, но ее присутствие способствует равномерному прогреванию всех участков материала). Последовательность удаления влаги из материала Скорость удаления зависит от вида связи влаги и условий сушки. При сушке удаляется: I. физико-механически связанная влага II. физико-химически связанная влага III. химически связанная влага (при длительном нагревании и высокой температуре). Волокна с низкими сорбционными свойствами (чаще всего химические волокна) высыхают быстрее. Методы определения гигроскопических свойств • Прямые методы. Основаны на отделении влаги от материала и раздельном определении их массы. – метод высушивания образца до постоянной массы (стандартный). – методы, основанные на экстрагировании влаги из материала водопоглощающими жидкостями. – дистилляционный метод. • Косвенные методы. Основаны на измерении физической величины, функционально связанной с влажностью материала. – кондуктометрический (изменение электрического сопротивления при изменении W) – ёмкостный (изменение диэлектрических свойств материала при изменении W) и др. Процессы, сопутствующие поглощению водяных паров и жидкой влаги 1. 2. Теплота сорбции - выделение тепла при поглощении волокнами влаги (Чем выше гигроскопичность волокна, тем больше выделяется тепла при поглощении влаги). Это важное теплозащитное свойство для одежды (компенсирует резкое снижение температуры при выходе на холодный воздух).) Набухание волокон и нитей – увеличение размеров, особенно поперечника (приводит к изменению показателей физико-механическиих свойств материалов). Влияние гигроскопических свойств материалов на процессы их производства, изготовление одежды и ее эксплуатацию • Операции отделки и крашения – требуют хорошей смачиваемости (высоких сорбционных свойств). Применяют ПАВ, которые снижают поверхностное натяжение жидкости σж . • При эксплуатации: Для белья, платья, блузок и т.п. требуются высокие сорбционные свойства, способность к смачиванию и капиллярному впитыванию. Для верхних изделий (пальтового ассортимента) – пониженная способность к смачиванию. • Для снижения адсорбционной способности материалы подвергают специальной обработке (кремнийорганические, фторорганические препараты). В результате на поверхности образуется пленка, обладающая гидрофобными свойствами, а также снижается натяжение на поверхности материалов σ пов . 5.2. Проницаемость Перечень вопросов, рассматриваемых в подтеме 5.2: 5.2.1. Основные положения теории проницаемости. 5.2.2. Воздухопроницаемость 5.2.3. Паропроницаемость 5.2.4. Водопроницаемость и водоупорность 5.2.5. Пылепроницаемость и пылеемкость 5.2.1. Основные положения теории проницаемости Проницаемость – это способность материалов, в том числе и текстильных, пропускать воздух, пар, воду и другие жидкости, газы, пыль и радиоактивные излучения при наличии градиента (т.е. перепада) давления, температур или концентраций. Характеристика, обратная проницаемости, называется непроницаемостью или упорностью – это способность материала сопротивляться проникновению газа, жидкости и т.п. Наиболее важными для бытовых материалов являются воздухопроницаемость, паропроницаемость, водопроницаемость, пылепроницаемость. Они определяют гигиенические свойства наряду с сорбционной способностью материалов. Механизм проницаемости Рассматривая механизм проницаемости принято говорить о диффузионной проницаемости и фазовой проницаемости. • Диффузионная проницаемость обусловлена проникновением молекул диффундирующего вещества в межмолекулярное пространство волокон. • Фазовая проницаемость обусловлена дефектностью структуры материала, т.е. наличием пор, микротрещин и макротрещин. Показатели проницаемости • Коэффициент проницаемости Кпр, • Время проникновения вещества τ (время защитного действия материала). Общие факторы, влияющие на проницаемость В общем случае Кпр и τ можно представить как функцию четырех факторов: τ, Кпр. = ƒ(Fполимераi ; G в-ваj; Hi,j ; A) Fполимераi – фактор, учитывающий природу полимера; G в-ва j - фактор, учитывающий природу дифундирующего вещества Hi,j – фактор, учитывающий характер взаимодействия полимера и вещества А - фактор, учитывающий структуру материала 5.2.2. Воздухопроницаемость Воздухопроницаемость – способность текстильных материалов пропускать воздух. Характеристикой воздухопроницаемости является коэффициент воздухопроницаемости. Коэффициент воздухопроницаемости Вр, (дм3/м2 с) – показывает, какое количество воздуха проходит через единицу площади материала в единицу времени при определенной разности давлений по обе стороны материала. Вр = V / S τ, V - количество воздуха, дм3. S - площадь материала, м2. τ - время прохождения воздуха, с Зависимость воздухопроницаемости от перепада давлений Чем выше перепад давлений, тем больше воздуха проходит через материал. Это выражается следующей зависимостью: Р = а Вр + b В2р Р – перепад давления по обе стороны материала, мм вод. ст. (1 мм = 9.8 Па) а, b – коэффициенты, определенные экспериментально и зависящие от параметров структуры материала. Для плотных материалов зависимость прямолинейная (пренебрегают 2-м слагаемым), для более разреженных материалов пренебрегают 1-м слагаемым. Воздухопроницаемость чаще всего определяют при перепаде давлений 5 мм вод. столба ( примерно 50 Па), что соответствует реальному перепаду давления в пододежном слое и окружаемом воздухе. Факторы, влияющие на воздухопроницаемость материалов На воздухопроницаемость влияют структурные показатели, определяющие пористость структуры, количество и размеры сквозных пор, а именно: 1. Толщина нитей и их структура (тонкие, гладкие, сильноскрученные нити увеличивают Вр, толстые, пушистые нити уменьшают ее). 2. Переплетение (ткани полотняного переплетения имеют наименьшую Вр. С увеличением длины перекрытий воздухопроницаемость увеличивается). 3. Плотность (с увеличением плотности тканей воздухопроницаемость уменьшается). 4. Наличие сквозных пор и их размеры (при отсутствии сквозных пор Вр зависит от толщины и общей пористости материала. При увеличении размера пор снижается трение воздуха о материал, следовательно увеличивается воздухопроницаемость). 5. Влажность материала (С увеличением влажности материала воздухопроницаемость Вр снижается. Например, при 100% влажности воздуха воздухопроницаемость суконных тканей снижается в 2-3 раза). Влияние воздухопроницаемости на гигиенические свойства одежды Воздухопроницаемость – важное гигиеническое свойство, обеспечивающее естественную вентиляцию пододежного слоя. Требования к воздухопроницаемости материалов различного назначения неоднозначны: • для летней одежды - воздухопроницаемость должна быть высокой, а именно более 375 дм3/м2 с • для зимней одежды – воздухопроницаемость должна быть минимальной – менее 50 дм3/м2 с Воздухопроницаемость пакета одежды Рисунок 6 – Зависимость коэффициента воздухопроницаемости пакета материалов от числа слоев Для пакета коэффициент воздухопроницаемости Вроб рассчитывается по формуле Клейтона Вроб = 1 / (1/Вр1 + 1/Вр2 + … + 1 / Врn) Вр1, Вр2, … , Врn– коэффициенты воздухопроницаемости соответственно первого, второго, …, n-го слоев. Метод определения воздухопроницаемости Метод определения воздухопроницаемости основан на определении объема воздуха, проходящего через образец материала с определенной площадью за определенное время. Используют специальные приборы, в частности ВПТМ-2. 5.2.3. Паропроницаемость Паропроницаемость - способность текстильных материалов пропускать пары влаги из среды с повышенной влажностью в среду с пониженной влажностью. Показатель паропроницаемости - коэффициент паропроницаемости Вh, мг/ м2 с или г/м2 час, который показывает, какое количество водяных паров проходит через единицу площади в единицу времени. Вh = А / S τ А - масса водяных паров, мг; S - площадь, м2; τ - время, с. Механизм паропроницаемости Водяные пары проникают сквозь текстильный материал через поры и путем сорбции и десорбции волокнами паров воды. При поверхностном заполнении более 85% преобладает способ проникания влаги путем сорбции и десорбции водяных паров. При поверхностном заполнении меньше 85% водяные пары проникают через поры. Факторы, влияющие на паропроницаемость • При проникновении водяных паров через поры паропроницаемость зависит от количества и размеров сквозных пор. • При проникновении водяных паров путем сорбции-десорбции – от гигроскопических свойств волокон. • В обоих случаях на паропроницаемость влияют разница температуры и относительной влажности по обе стороны текстильного материала. Методы определения паропроницаемости Вh определяют следующим образом: сосуд с водой плотно закрывают испытуемым материалом и помещают в камеру с φ = 65% и t=20˚ С на определенный период времени. По величине массы воды, испарившейся через образец материала за определенное время, рассчитывают коэффициент паропроницаемости Вh. Значение Вh зависит от величины воздушной прослойки между поверхностью воды и материалом, т.к. сопротивление прохождению паров влаги складывается из сопротивления слоя воздуха и сопротивления самого материала. Исходя из этого, h должно быть минимальным. Вh увеличивается с увеличением перепада температуры воды и воздуха и с уменьшением относительной влажности воздуха. В связи с чем, проведение испытаний при температуре 3536.2ºС приближает условия испытаний к условиям эксплуатации. Для одежных материалов Вh = 1,1÷ 1,7 мг / м2 · с Относительная паропроницаемость Определяют так же относительную паропроницаемость Во, % - отношение количества паров влаги А, испарившихся через испытуемый образец, к количеству паров влаги В, испарившихся из открытого сосуда, находившегося в тех же условиях испытания. Во = 100 А / В По данным Н.А. Архангельского для тканей Во = 20-50% Сопротивление паропроницаемости Характеристика, обратная проницаемости - сопротивление паропроницаемости R. R показывает, какое сопротивление оказывает материал прохождению через него паров влаги. Влияние паропроницаемости на гигиенические свойства одежды Высокая паропроницаемость текстильных материалов обеспечивает постоянную относительную влажность воздуха в пододежном слое, создает комфортные условия для жизнедеятельности организма. 5.2.4. Водопроницаемость Водопроницаемость - способность текстильных материалов пропускать воду при определенном давлении. Основная характеристика водопроницаемости – коэффициент водопроницаемости Вн, дм3/ м2 с, показывает какое количество воды проходит через единицу площади в единицу времени: Вн = V / S · τ V - количество воды, дм3 S - площадь образца, м2 τ - время,с. Определяя Вн, замеряют время прохождения через образец материала воды объемом 0.5 дм3 под давлением Н = 5 ·103 Па. Водоупорность и методы ее определения Водоупорность – сопротивление текстильных материалов проникновению через них воды. Определяют одним из двух методов: 1. Метод пенетрометра. 2. Метод кошеля. Метод пенетрометра Используются специальные приборы – пенетрометры. Водоупорность характеризуется минимальным давлением, при котором вода начинает проникать через материал. Метод кошеля В подвешенный образец наливают воду до высоты Н. Водоупорность определяют по времени с момента наполнения кошеля водой до момента просачивания третьей капли или максимальной Н, при которой материал не пропускает воду в течение 24 ч. Рисунок 7 – Определение водоупорности методом кошеля Факторы, влияющие на водопроницаемость и водоупорность • Структурные показатели заполнения материала, т.е. от его пористость, • толщина материала, • способность к смачиванию. Способы повышения водоупорности материалов Водоупорность повышают с помощью: • пленочных покрытий, Достоинство – высокий уровень водоупорности. • водоотталкивающих отделок, снижающих смачиваемость материалов и придающих волокнам гидрофобность, в результате чего капли воды скатываются с поверхности материала. Достоинство - сохранение воздухо- и паропроницаемости материала. 5.2.5. Пылепроницаемость и пылеемкость Текстильные материалы в процессе носки изделий способны пропускать в пододежный слой и удерживать в структуре частицы пыли. Это приводит к загрязнению верхней одежды и нижележащих слоев пакета одежды. Проникновение пыли осуществляется через сквозные поры. Накопление пыли – за счет механического сцепления частиц пыли с неровностями на поверхности волокон и масляной смазки. Факторы, влияющие на пылепроницаемость и пылеемкость На процесс проникновения пыли прежде всего влияют количество и размеры сквозных пор; на процесс накопления пыли влияют: • электризуемость волокон (чем она выше, тем выше пылеемкость), • рыхлость структуры (рыхлые материалы способны сильнее накапливать пыль). Пылепроницаемость Пылепроницаемость - способность материала пропускать частицы пыли. Харакатеризуется: • коэффициентом пылепроницаемости Ппр, г/см2с Ппр = m1 / S · τ • относительной пылепроницаемостью По, % По = 100 m1 / m0 m1 - количество пыли, прошедшей через материал; m0 - количество пыли, взятой для испытаний. Пылеемкость Пылеемкость – способность материала воспринимать и удерживать пыль. Характерезуется относительной пылеемкостью Пе, % Пе = 100 m2 / m0 m2 - количество пыли, поглощенной материалом m0 - количество пыли, взятой для испытаний Методы определения пылепроницаемости и пылеемкости Определяют характеристики пылепроницаемости и пылеемкости путем засасывания через материал с помощью пылесоса навески пыли определенного состава и размера частиц. Методом взвешивания устанавливают количество пыли, прошедшей через материал и осевшей на материале. 5.3. Тепловые свойства Перечень вопросов, рассматриваемых в подтеме 5.3: 5.3.1. Общая характеристика тепловых свойств материалов 5.3.2. Теплопроводность 5.3.3. Теплоемкость 5.3.4. Температуропроводность 5.3.5. Тепло- и термостойкость 5.3.6. Морозостойкость 5.3.1. Общая характеристика тепловых свойств материалов При действии тепловой энергии текстильные материалы проявляют целый ряд свойств: способность проводить тепло (теплопроводность, тепловое сопротивление, температуропроводность); способность поглощать тепло (теплоемкость); способность изменять или сохранять свои свойства (тепло- и термостойкость, морозостойкость, огнестойкость). Знание тепловых свойств текстильных материалов необходимо при проектировании одежды с заданными теплозащитными свойствами, при ВТО обработке швейных изделий и при эксплуатации в различных климатических, производственных и бытовых условиях. 5.3.2. Теплопроводность Теплопроводность – способность текстильных материалов проводить тепло при условии разницы температур по обе стороны материала. Принято оценивать следующими характеристиками: коэффициент теплопроводности, коэффициент теплопередачи, удельное тепловое сопротивление, тепловое сопротивление. Коэффициенты теплопроводности и теплопередачи Коэффициент теплопроводности λ, (Вт/м ∙ ºС), показывает какое количество тепла проходит за 1 час через 1 кв. м2 материала толщиной 1 м при разности температур 1ºС: λ = Q δ / (Т1 - Т2 ) S τ Коэффициент теплопередачи – К, Вт/ м2 ∙ º С, характеризует теплопроводность материала при его фактической толщине К = Q / (Т1 – Т2) S τ где Q – величина теплового потока, Дж; δ - толщина материала, м; Т1, Т2 – температура поверхностей материала, º С; S – площадь материала, м2; τ – длительность прохождения теплового потока ч. Удельное тепловое сопротивление и тепловое сопротивление Удельное тепловое сопротивление ρ, м ∙ ˚С / Вт, - характеристика, обратная коэффициенту теплопроводности: ρ = 1/λ Тепловое сопротивление Rм, м2 ∙ ˚С/Вт – характеристика, обратная коэффициенту теплопередачи: Rm = 1 / K Удельное тепловое сопротивление ρ и тепловое сопротивление Rm характеризует способность текстильных материалов препятствовать прохождению через них тепла, т.е. их теплозащитные свойства. Суммарное тепловое сопротивление Чаще всего для характеристики теплозащитных свойств, близких к эксплуатационным, определяют суммарное тепловое сопротивление: Rсум = Rв + Rм + Rn Оно включает в себя: сопротивление тепловосприятию Rв при переходе тепла из пододежного слоя воздуха к внутренней поверхности материала: тепловое сопротивление материала Rм при переходе от внутренней поверхности к наружной поверхности; сопротивление теплопереходу Rn тепла от наружной поверхности во внешнюю среду. Способы переноса тепла в материалах неоднородной структуры Перенос тепла в материалах неоднородной структуры осуществляется за счет: • теплопроводности полимера волокна, • теплопроводности воздуха, находящегося в порах материала, • конвекцией через поры, т.е. передачи тепла с поверхности движущимся воздухом, • теплоизлучением стенками пор. Т.к. текстильные материалы обладают высокой пористостью структуры и сравнительно малой площадью контакта между отдельными волокнами, теплопередача в них осуществляется главным образом через слой неподвижного воздуха, заключенного в замкнутых порах. Факторы, влияющие на теплопроводность материалов 1. 2. 3. 4. Волокнистый состав (шерсть имеет минимальную теплопроводность, хлопок и лен максимальную); пористость структуры и толщина материала (чем выше общая пористость структуры и больше толщина, тем ниже теплопроводность); количество сквозных пор (с увеличением количества сквозных пор увеличивается воздухопроницаемость, и как следствие повышается теплопроводность); влажность материала (с увеличением влажности повышается теплопроводность, т.к. вода имеет максимальное значение коэффициента теплопроводности). 5.3.3. Теплоемкость Теплоемкость – способность текстильных материалов поглощать тепло при повышении температуры. Согласно кинетической теории тепла подводимая тепловая энергия превращается в кинетическую энергию внутреннего действия атомов и молекул тепла, в частности, волокна. При снижении температуры движение атомов и молекул замедляется, т.е. уменьшается их кинетическая энергия, следовательно, тело при определенных условиях может отдавать тепло. Характеристики теплоемкости Удельная теплоемкость С, [Дж/кг ∙ ˚С] - количество тепла, которое необходимо сообщить материалу массой 1 кг, чтобы повысить его температуру на 1 градус. С = Q / m (Т1 – Т2) Q – количество тепла, Дж; m - масса материала, кг; T1–T2 – разность термодинамических температур, С. Объемная теплоемкость Cv, [Дж / м3 ∙ ˚С] – показывает какое количество тепла необходимо для нагревания единицы объема данного материала Cv = С γ γ - объемная масса материала, кг/ м3 Влияние теплоемкости на теплозащитные свойства материала Теплоемкость – важное теплофизическое свойство, т.к. оно характеризует тепловую инерцию материала. Материалы с большой теплоемкостю обладают лучшими теплозащитными свойствами. Наибольшей теплоемкостью обладают шерсть, натуральный шелк, капрон, триацетат. Значения удельной теплоемкости текстильных материалов: 1,09 ∙ 103 - 2,18 ∙ 103 Дж / кг ∙ ºС; Значения объемной теплоемкости текстильных материалов : 231,6 ∙ 103 - 1103,40 ∙ 103 Дж / кг ∙ ºС 5.3.4. Температуропроводность Температуропроводность -способность текстильных материалов выравнивать температуру в различных точках, передавать тепло от более нагретых участков к менее нагретым. Характеризуется коэффициентом температуропроводности a, м2 / г, который зависит от коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости материала: а=λ / С γ Коэффициент температуропроводности показывает скорость выравнивания температуры, т.е. характеризует теплоинерционные свойства текстильных материалов. Значения коэффициента температуропроводности и факторы, влияющие на его величину Значения а: 7.17 - 16.33 м2/г Факторы: • объемная масса материала, • температура, • вид волокон. Из натуральных волокон хлопок имеет максимальное значение а, а шерсть минимальное значение а. Влияние температуропроводности на теплозащитные свойства и протекание процессов ВТО • Для обеспечения теплозащитных свойств одежды зимней, материал должен иметь минимальное значение коэффициента температуропроводности а. • Для нормального протекания процессов ВТО швейных изделий – максимальное значение а, т.к. его величина определяет скорость прогревания обрабатываемых материалов. Наличие влаги значительно повышает а, с одной стороны – за счет большей температуры воды, с другой стороны за счет перемещения влаги от более нагретых участков к менее нагретым согласно теории тепломассообмена в диспресных системах, разработанных академиком Лыковым А.В. Методы определения характеристик тепловых свойств Все методы делятся на 2 группы: 1) Методы, основанные на принципе стационарного теплового режима. 2) Методы, основанные на принципе нестационарного (регулярного) режима. При первом методе определяют количество тепла, необходимого для сохранения постоянной разности температур двух поверхностей, изолированных друг от друга испытываемым материалом (прибор ЦНИИ шерсти). Недостаток: длительность установления теплового процесса (25 часов), что приводит к изменению влажности текстильного материала. Второй метод более быстрый и простой. Определяется скорость охлаждения нагретого тела, изолированного от окружающей среды испытываемым материалом. Этот метод позволяет воспроизвести условия теплообмена в одежде. Определяют суммарное тепловое сопротивление Rсум. (Прибор ПТС-225, ГОСТ 20489-75). 5.3.5. Тепло- и термостойкость В процессе производства текстильных материалов и изготовления из них швейных изделий, а так же в определенных условиях носки одежды (спецодежды) материалы подвергаются продолжительным и непродолжительным воздействиям высоких температур. При установлении режимов этих процессов необходимы сведения об устойчивости материалов к действию повышенных температур. Поглощаемая материалом энергия превращается в кинетическую энергию атомов и молекул, что приводит к ослаблению межмолекулярных связей, увеличению подвижности макромолекул. В результате наблюдается ухудшение физико-механических свойств материалов: повышение их деформируемости, снижение прочности, выносливости и др. При значительном повышении температуры может наблюдаться нарушение межмолекулярных связей, т.е. наблюдается химическая деструкция полимера, т.е. необратимое изменение свойств материала. Характеристики тепло- и термостойкости Теплостойкость обычно оценивают максимальной температурой, выше которой начинается ухудшение свойств материала, препятствующее его использованию. Термостойкость оценивают температурой, при которой начинается термический распад материала. Факторы, влияющие на тепло- и термостойкость • Теплостойкость и термостойкость составляющих материал волокон. • Влажность материала 5.3.6. Морозостойкость С понижением температуры тела понижается кинетическая энергия макромолекул и их звеньев, значительно увеличивается межмолекулярное взаимодействие, что может приводить к изменению физической структуры полимера, которые, как правило, носят обратимый характер, или химические деструкции материала, вследствие которой необратимо меняются физикохимические свойства материалов. Характер изменений структуры и свойств материалов при низких температурах В диапазоне низких температур от 0 до –50 ºС изменения с текстильными материалами чаще носят обратимый характер. Наблюдаются следующие изменения: • увеличение прочности и уменьшение удлинения материалов; • изменение соотношения долей полной деформации: уменьшается доля упругой деформации и увеличивается доля пластической; • при длительном выдерживании тканей в условиях холода появляется отрицательная деформация, которая по времени проявления относится к эластической и пластической компонентам полной деформации, поэтому компоненты отрицательной деформации названы квазиэластической и квазипластической. Отрицательная деформация обусловлена релаксационными процессами, протекающими в структуре ткани и полимера волокна. • изменение таких свойств как несминаемость. Влияние наличия влаги на изменение структуры и свойств при отрицательных температурах С одной стороны обезвоживание (переход воды в кристаллическое состояние) приводит к упрочнению материала; с другой стороны рост кристаллов, увеличение объема способствует разрыхлению структуры, ведущему к потере прочности. Преобладание того или иного процесса зависит от гидрофильности волокон и упорядоченности их молекулярной структуры. При многократном повторении цикла замораживание-оттаивание расшатывается структура материала, что приводит к ухудшению его свойств. 5.4 Электиризуемость Текстильные материалы в процессе переработки и эксплуатации при соприкосновении и трении друг о друга, с деталями машин, с телом человека приобретает статический заряд электричества и способны реагировать на внешнее электрическое поле, поэтому к текстильным полотнам как бытового, так и технического назначения предъявляются определенные требования относительно электрических свойств. К электрическим свойствам относятся электростатические (электризуемость) и диэлектрические, или электроизоляционные (пробивная напряженность, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла потерь). Электризуемость – это способность материалов к генерации и накоплению зарядов статического электричества. Отрицательное влияние электризуемости 1. На протекание процессов текстильного производства: Следствием электризации текстильных материалов является нарушение ориентации волокон в продуктах прядильного производства; появление мшистости и ворсистости; увеличение обрывности в ткачестве; заматывание материала на валы, его плохая укладка и раскладка в отделочном производстве; склонность к загрязнению. 2. В эксплуатации наблюдается «прилипание» к телу человека или частям одежды, что создает большие неудобства в носке изделий, ухудшает их внешний вид повышает пиллигуемость и создает трудности при удалении загрязнений. 3. На организм человека: положительное электрическое поле на поверхности кожи человека вызывает целый ряд патологических реакций со стороны нервной, сердечно-сосудистой и других систем организма Положительные стороны электризации 1. Лечебное белье, например, хлориновое. Поле статического электричества отрицательной полярности оказывает благоприятное действие на организм при лечении таких заболеваний, как остеохондроз, радикулит, артрит и т.п. 2. При разработке новых, более производительных технологических процессов изготовления текстильных материалов, используется электризация текстильных волокон в электрическом поле, например для параллелизации движения волокон при безверетенном способе прядения, для нанесения на материал ворса в электрическом поле, а так же получения новых видов пряжи. Механизм электризации При соприкосновении, трении текстильных материалов на их поверхности протекает одновременно два процесса: процесс генерации (возбуждения, возникновения) зарядов статического электричества определенной полярности и процесс диссипации (рассеивания) зарядов. Электризация тел обнаруживается, когда равновесие между этими процессами нарушается. Теории электризации • • Единой теории электризации пока нет. Наиболее распространенными являются две. Первая теория рассматривает электризацию как результат перехода носителей зарядов (электронов или ионов) с одной контактирующей поверхности на другую, в результате чего одна из них заряжается положительно, а другая отрицательно. В следствии этого между контактирующими поверхностями образуется двойной электрический слой. Вторая теория утверждает, что причина электризации диэлектриков – ориентация полярных молекул, расположенных на поверхности. При соприкосновении двух поверхностей возникает электрическое поле, под действием которого происходит ориентация диполей, в результате чего между контактирующими поверхностями возникает двойной электрический слой. Основные показатели электризуемости и факторы, на них влияющие Электризуемость текстильных материалов характеризуется величиной заряда Q и его полярностью «+» или «-». Однако более удобной мерой электризуемости является относительная характеристика – поверхностная плотность заряда σ, Кл/ см2 . σ = Q / F, F - площадь, см2 Знак электростатического заряда, возникающего на поверхности соприкасающихся тел, зависит от химического строения веществ. Величина электростатического заряда зависит от химического состава и состояния поверхности. Удельное поверхностное электрическое сопротивление Так как электризуемость связана с рассеиванием возникающих электростатических зарядов, то одной из ее характеристик является удельное поверхностное электрическое сопротивление ρF, Ом ∙ м, полотна при прохождении тока через его две противоположные стороны. Для правильного течения технологических процессов и нормального ношения одежды ρF должно быть не более 109 – 1010 Ом ∙ м. Зависимость электризуемости от различных факторов • Собственная электропроводность, от которой зависит рассеивание электростатических зарядов, у текстильных материалов невелика. Электрическое сопротивление составляет 1014 – 1018 Ом. Но находящаяся на поверхности волокон адсорбированная влага и загрязнения в виде различных солей, являющихся электролитами, снижают электрическое сопротивление, т.е. способствуют увеличению электропроводности. • Способность рассеивать электростатические заряды при одинаковых атмосферных условиях у различных волокон различна. Из природных волокон наиболее электризуется шерсть. У вискозы электризуемость выше, чем у полиакрилонитрильных волокон. В общем случае волокна гидрофильные электризуются меньше, чем большинство гидрофобных искусственных и синтетических волокон. • Электризуемость текстильных материалов имеет суточные и сезонные колебания, связанные с величиной ионизации атмосферы: летом и днем электризуемость выше. Методы определения показателей электризуемости • При стандартном методе оценки электризуемости определяют удельное поверхностное электрическое сопротивление полотен на приборе ИЭСТП-1 • Для измерения величины и знака электростатических зарядов применяют прибор ИВЗ-1. Методы снижения электризуемости Существует два пути: 1. Применение антистатических препаратов – антистатическая обработка, которая может быть: • • Стойкой или перманентной, Нестойкой или временной. 2. Подбор волокон (нитей) для тканей, трикотажных, нетканых полотен и ковров, электризующихся разноименно (использование трибоэлектрических рядов) или смешивание гидрофильных и гидрофобных волокон. 5.5 Оптические свойства текстильных материалаов Перечень вопросов, рассматриваемых в подтеме 5.5: 5.5.1. Общая характеристика оптических свойств. 5.5.2. Цвет. 5.5.3. Блеск. 5.5.4. Белизна. 5.5.5. Прозрачность. 5.5.6. Колорит. 5.5.1. Общая характеристика оптических свойств Оптическими свойствами материала называется их способность количественно и качественно изменять световой поток. К ним относятся цвет, блеск, белизна и прозрачность. Оптические свойства влияют на эстетические свойства одежды. Они позволяют выявлять, подчеркивать или, наоборот, скрывать фактуру материала , силуэт, конструктивные особенности изделия, объем фигуры человека, т.е. влияют на выбор модели, разработку конструкции. Видоизменения светового потока при попадании на материал При попадании на поверхность материала световой поток может: • отражаться, • поглощаться, • пропускаться. В зависимости от того, как видоизменяется световой поток, проявляются цвет, блеск, прозрачность и т.п. Виды поглощения (отражения) Поглощение (отражение) светового потока может быть равномерным и избирательным. Равномерное поглощение (отражение) характеризуется тем, что все длины волн, составляющие световой поток, отражаются или поглощаются в равной степени. Избирательное поглощение (отражение) характеризуется тем, что волны определенной длины отражаются поверхностью материала, а все остальные поглощаются. Виды отражения Отражение может быть зеркальным, рассеянным и смешанным. Зеркальное отражение: световой поток меняет направление на противоположное и остается в плоскости падения. Рассеянное отражение световой поток отражается в разных направлениях: Смешанное отражение: световой поток отражается в разных направлениях, но остается в плоскости падения. Отражение является зеркальным или близким к нему, если поверхность гладкая. Если поверхность шероховатая, то отражение рассеянное. 5.5.2. Цвет Ощущение цвета связано с равномерным или избирательным отражением (поглощением) светового потока. Если материал равномерно (полностью или частично) поглощает или отражает световой поток, то возникает ощущение ахроматического цвета (от белого до черного): Если материал избирательно отражает световой поток, то возникает ощущение хроматического цвета (все цвета, кроме ахроматических). Характеристика ахроматических цветов Ахроматические цвета характеризуются только светлотой. При полном отражении – белый цвет, при полном поглощении – черный, при равномерном неполном поглощении – серый цвет различных оттенков (различной степени светлоты). Характеристика хроматических цветов Хроматические цвета принято делить на теплые (ассоциируются с представлением о солнечном свете, тепле огня (желтый, оранжевый, красный) и т.п.) и холодные (ассоциируется с цветом льда, зелени, металла), (голубой, зелено-голубой, синий, фиолетовый). Зеленый цвет считается нейтральным. Хроматические цвета характеризуются цветовым тоном, насыщенностью, светлотой. Понятие цветового тона Цветовой тон является основной характеристикой ощущения цвета, которая позволяет устанавливать общее между цветовыми ощущениями образца и цветом спектрального излучения. Цветовых тонов столько же, сколько цветов в солнечном спектре: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Расположенные по кругу цвета солнечного спектра (с включением пурпурного) образуют непрерывный цветовой круг. Красный, желтый и синий цвета спектра – основные цвета. Их комбинацией можно получить цвета и оттенки, которые называются вторичными цветами. Противоположные цвета в цветовом круге называются дополнительными. Если дополнительные цвета расположить рядом, то в зрительном восприятии эти цвета усилятся. Это явление называется цветовым контрастом. Насыщенность и светлота • Насыщенность цвета характеризует количественное присутствие цветового тона (цвета спектра имеют максимальную насыщенность). • Светлота – характеристика, показывающая степень общего между данным цветом и белым. Факторы, влияющие на восприятие цвета 1) Характер источника освещения, его спектральный состав и мощность, которые влияют на восприятие цветового тона, светлоты и насыщенности (теплые цвета при солнечном освещении воспринимаются менее насыщенными и менее светлыми, а холодные – более светлыми, чем при вечернем освещении). 2) Состояние поверхности материала и оптические свойства волокон (на прозрачных волокнах цвет более насыщенный; восприятие цвета на ворсовых материалах и т.п.). 3) Расположение цветов – одновременный контраст: изменяются цветовой тон, светлота, насыщенность (на красном фоне оранжевый цвет желтеет и т.п.). Цвет материала необходимо учитывать при выборе модели, при выборе материала на изделие, при разработке рисунков. Устойчивость окраски материалов При производстве материалов и изделий и при эксплуатации изделий под воздействием различных факторов материалы могут менять свою окраску. Изменение цвета может носить обратимый и необратимый характер. В связи с этим проверяют устойчивость окраски к различным физикохимическим воздействиям: свету, стирке; химчистке, ВТО, трению и т.п. Перечень воздействий определяется в специальных ГОСТ (нормы устойчивости окраски и методы ее определения) в зависимости от вида материала, его волокнистого состава и назначения. Прочность окраски зависит от качества применяемых красителей и технологии крашения. Методы определения устойчивости окраски Методы определения устойчивости окраски основаны на оценке степени изменения первоначальной окраски испытуемого образца или степени закрашивания белого материала, подвергнутого вместе с окрашенным образцом той же обработке. Показатели: изменение первоначальной окраски и степень закрашивания белого материала определяют путем сравнения со специальными эталонами и оценивают в баллах. Наивысший бал соответствует наибольшей прочности окраски. Существует 3 шкалы: 1 – синих эталонов (8-бальная), 2 – серых эталонов (5-бальная). По шкале синих эталонов оценивают устойчивость окраски к свету, по шкале серых эталонов – устойчивость окраски к другим физико-химическим воздействиям. 5.5.3. Блеск Блеск материала зависит от степени зеркального отражения светового потока. Блеск может быть: желательным (определяет эстетические свойства материала) нежелательным (Нежелательный блеск возникает при ВТО (лассы) и может быть устранен отпариванием, а так же при носке изделий (местный блеск), его устранить нельзя). Факторы, влияющие на блеск материала 1) 2) 3) 4) 5) 6) Характер поверхности материала (гладкая поверхность – выраженный блеск, шероховатая поверхность – матовость), строение нитей (применение нитей креповой крутки, текстурированных, фассонных и других нитей с шероховатой поверхностью снижает блеск), волокнистый состав (материалы из нитей натурального шелка, комплексных химических нитей и металлизированных нитей имеют повышенный блеск), переплетение (применение переплетений с длинными перекрытиями увеличивает блеск, применение рельефных, ворсовых переплетений уменьшает блеск ), отделка (мерсеризация, прессование, каландрирование, лощеная, серебристо-шелковистая, «лаке» увеличивает блеск ткани, и наоборот, матирование волокон, начес, ратинирование уменьшают блеск ), интенсивность окраски (увеличение интенсивности окраски, особенно полотен из блестящих нитей, увеличивает блеск). 5.5.4. Белизна Белизна характеризует общее в ощущении цвета данной и идеально белой поверхности. Показатель белизны учитывается при оценке качества белых материалов различного назначения, а так же при оценке качества стирки таких материалов в процессе эксплуатации. Белизна зависит от качества процесса отбеливания при отделке материала и качества стирки при эксплуатации. Методы повышения белизны и ее учет в швейном производстве Белизну можно повышать химическими и физическими воздействиями: беление, мытье, чистка, подсветка синими красителями, обработка оптическими отбеливающими веществами. Белизна учитывается при выборе модели, выборе материала на изделие, выборе способов ухода за изделием. Белые материалы требуют большей тщательности при обработке, т.к. на них лучше видны все дефекты обработки. 5.5.5. Прозрачность Прозрачность связана с ощущением проходящего через толщину материала светового потока и зависит от прозрачности волокон и нитей, плотности материала, наличия сквозных пор. Наибольшей прозрачностью обладают малоплотные и ажурные ткани из прозрачных ПА мононитей, малоплотные ткани из натурального шелка (шифон, крепжоржет), малоплотные ткани из тонкой крученой х/б пряжи (вуаль, маркизет), синтетические креповые ткани с низким линейным заполнением. Светлые ткани кажутся более прозрачными, чем те же ткани, окрашенные в темные цвета. Прозрачность материала необходимо учитывать при выборе ассортиментной группы изделий, выборе модели, состава пакета изделия, методов обработки, прокладочных материалов и т.п. 5.5.6. Колорит Колорит – соотношение всех цветов, участвующих в расцветке ткани. Колористическое восприятие материала зависит от соотношения цветов различной тональности, насыщенности, светлоты и связано с различными ассоциациями, которые вызывает расцветка материала. Материалы по колориту могут быть солнечными, жизнерадостными, весенними, теплыми, холодными, мрачными и т.п. Колорит определяет назначение материала, в частности возрастную группу потребителей материала. При этом должен учитываться так же рисунок материала. Классификация рисунков по содержанию • сюжетные (т.е. о которых можно рассказать) • тематические (характеризуемые каким-то понятием: горох, клетка, полоска, цветы и т.п.) • беспредметные и абстрактные (различные цветовые пятна и неопределенные контуры). Учет рисунка материала в швейном производстве Рисунок материала необходимо учитывать: • при выборе модели и материала на изделие с учетом индивидуальных особенностей внешности и телосложения человека, • при выборе конструктивных особенностей изделия, • при раскрое материалов (припуски на подгонку, расположение деталей и т.п.). Классификация материалов по колористическому оформлению (окраске) • Суровые (материалы, не прошедшие процесс беления при отделке). • Отбеленные (прошедшие процесс беления). • Полубелые (только льняные, частично отбеленные ткани). • Гладкоокрашенные (равномерно окрашенные в один цвет). • Пёстротканые или пестровязаные (вытканные или вывязанные из разных по цвету нитей). • Меланжевые (из меланжевой пряжи, выработанной из волокон разного цвета). • Мулинированые (выработанные из двух(много)цветной крученой пряжи или пряжи, состоящей из нитей различного волокнистого состава). • С печатным рисунком или набивные (краситель нанесен на материал по рисунку). Классификация материалов с печатным рисунком • Белоземельные (с рисунком по белому полю), • вытравные (с вытравленным рисунком по гладкокрашеному материалу), • грунтовые (рисунок занимает до 60% материала), • фоновые (с окрашенным полем).
