Определение стойкости материалов к истиранию

Цель работы: Изучение приборов и методик для определения стойкости текстильных материалов к истиранию.

Задания:

1.Изучить основные факторы, определяющие износ текстильных материалов при истирании, приборы и методики определения износа.

2. Дать визуальную оценку устойчивости к истиранию исследуемых материалов по внешним (в том числе и структурным) признакам и сырьевому составу.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Материалы в процессе изготовления из них швейных изделий, при транспортировке и хранении, при стирке и химической чистке и особенно в процессе непосредственной эксплуатации изделий подвергаются воздействию комплекса различных факторов. Постепенно они вызывают изменения в микро- и макроструктуре, что приводит к ухудшению внешнего вида и свойств материала и в конце концов к его разрушению, т.е. происходит процесс постепенного его изнашивания. Результат изнашивания обычно называют износом, а сопротивление материала действию разрушающих факторов - износостойкостью.

Все разнообразные причины, или факторы, износа можно разделить на следующие группы:

- механические — многократные деформации растяжения, изгиба, трения (истирание) и др.;

- физико-химические — действие света, температуры, влаги, химических веществ, содержащихся в атмосфере, в поте, в моющих жидкостях и чистящих средствах и т.д.;

- биологические — разрушение микроорганизмами и повреждение насекомыми;

- комплексные — действие истирания, светопогоды, стирки, химической чистки, носки и др.

Виды факторов, их количество и характер взаимодействия зависят от вида изделия и условий его эксплуатации.

Одной из основных причин износа является истирание вследствие внешнего трения материала о другие поверхности, которое сопровождается уменьшением его массы. В трикотажных полотнах при многократном деформировании наряду с внешним истиранием возможно проявление внутреннего истирания нитей из-за подвижности петельной структуры. Истирание представляет собой результат многократного нарушения фрикционных связей между контактирующими поверхностями при их смещении относительно друг друга. При нарушении молекулярно-фрикционных связей, возникающих на участках касания поверхностей, происходят отрыв микрочастиц, разрушение поверхностных пленок. При нарушении связей механического зацепления микро- и макро-неровностей характер истирания зависит от соотношения жесткости элементов контактирующих поверхностей, так как жесткая поверхность, в этом случае, может играть роль твердого абразива, ускоряющего разрушение трущихся поверхностей.

Микроскопические исследования повреждений волокон в процессе истирания показали, что они имеют как поверхностный, так и объемный характер. Повреждение поверхности волокон заключается в разрушении верхнего слоя (в частности, чешуйчатого слоя шерстяных волокон, кутикулы и отщепление фибриллярных комплексов у хлопковых волокон и т. п.). В результате усталостного износа в структуре волокон возникают микротрещины, которые затем объединяются в магистральные трещины, приводящие к разрушению волокна и выпадению из структуры материала. Удаление волокон из его структуры приводят к потере массы, уменьшению толщины, разряжению и, наконец, к разрушению.

Можно выделить три стадии изнашивания:

1 стадия — начальное изнашивание, при котором интенсивность истирания ткани постепенно уменьшается. В начале истирания (100-200 циклов) происходит разрыхление поверхности, что приводит к некоторому увеличению толщины, затем постепенное удаление с поверхности ворсового застила с образованием пиллей и появлением потертостей.

2 стадия - установившееся изнашивание характеризуется постоянством интенсивности изнашивания, участок линии уменьшения массы практически прямолинейный. Этой стадии соответствуют постоянные площадь опорной поверхности и коэффициент трения.

3 стадия — конечного изнашивания, при котором интенсивность истирания повышается и происходит разрушение нижних слоев ткани в условиях ее разрыхления, в результате чего толщина ткани даже несколько увеличивается. При этой стадии изнашивания площадь опорной поверхности ткани уменьшается, а коэффициент трения увеличивается.

Для оценки износостойкости используют различные критерии износа:

- время - долговечность или число циклов - выносливость от начала изнашивания до разрушения изделия или непригодности его к дальнейшему использованию;

- изменение показателей физико-механических свойств (прочности, жесткости, проницаемости, выносливости при многокраном растяжении или изгибе и др.) после определенного периода изнашивания;

- уменьшение вязкости раствора вещества, составляющего материал;

- уменьшение массы или толщины материала;

- количество видимых повреждений (потертостей, дыр, пиллей и др.) и их расположение на изделии.

Выбор критериев оценки износостойкости проводят в зависимости от факторов, определяющих износ материала.

Для изучения и оценки кинетики износа материала проф. А.Н. Соловьевым предложены кинетические характеристики износа, которые можно выразить математическими моделями:

и = и_о – mx^b, (19)

у = 100 – ах^b, (20)

где и и у = 100 и/и₀ — соответственно абсолютное и относительное значения позитивного показателя критерия после х циклов износа;

и₀ - начальное значение абсолютного критерия для неношенного материала;

т и а — константы уравнений, зависящие от вида материала и факторов износа;

b — показатель, зависящий от характера и степени интенсивности износа.

Для прогнозирования срока службы изделия определяют минимально допустимое значение позитивного критерия и _min или у_min для годного изделия. Подставив эти значения в уравнения, представленные выше, решают их относительно х, которое соответствует сроку службы при х_т циклах износа.

Эти формулы можно использовать также для оценки соответствия износа материалов при опытной и лабораторной носке.

Все методы и приборы, используемые для определения стойкости к истиранию, подразделяется по признакам: вид поверхности, по которой взаимодействует проба с абразивом: характер и направления движения контактирующих поверхностей относительно друг против друга: наличие дополнительных факторов (растяжения, изгиба, сжатия), ускоряющих износ от истирания.

Изменение свойств материала при истирании П, %, определяется отношением разности показателей до и после испытания к первоначальному значению показателя:

П = 100 (А₁ - А₂) / А₁, (21)

Для сопоставления результатов испытаний материалов с разными поверхностными плотностями используют коэффициент устойчивости к истиранию:

К_у= n / М_s, (22)

где n - число циклов истирания до разрушения пробы материала;

М_s - поверхностная площадь материала, г/м².

В некоторых случаях стойкость материала к истиранию оценивают относительным коэффициентом износостойкости, определяемым путем сравнения с одновременно испытуемым эталоном:

К_{о. у}=n/n_э, (23)

где n_э- число циклов истирания эталонной пробы.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для определения стойкости текстильных материалов к истиранию в настоящее время основными стандартными приборами являются ДИТ-М, ТИ-1М, ИС-4М, ИТИС.

Прибор ДИТ-М предназначен для определения стойкости к истиранию по плоскости х/б, льняных, шелковых, из химических волокон и нитей, смешанных и неоднородных тканей (ГОСТ 18976-73) и льняных и полульняных тканей для спецодежды (ГОСТ 15967-70). Стандартами допускается использование для испытаний приборов, имеющих с ДИТ-М единую конструктивную базу: ДИТ и ИТ-3М для льняных и полульняных тканей и ИТ-3М-1 для всех остальных.

Во всех перечисленных приборах истирание происходит благодаря планетарному движению бегунков с абразивом по пробе, заправленной в пяльцы. Отличаются эти приборы один от другого способом закрепления испытуемого материала и абразива. Частотой вращения бегунков, способом самоостанова при разрушении пробы и числом одновременно испытуемых проб.

Прибор ДИТ-М имеет две вращающиеся головки 2 (рис.10.1) и сменные пяльцы 1 с держателем 5. На головке 2 закреплены бегунки 3 с грибками, вращающимися относительно своей оси, и одновременно с бегунками, совершающими движение по окружности относительно оси головки 2. Таким образом, в плоскости касания пробы с абразивом они совершают планетарное движение.

Рис. 10.1. Схема прибора ДИТ-М

В комплект прибора ДИТ-М входят пяльцы двух типов: для закрепления испытуемого матери-ала; для закрепления абразива.

Если проба закрепляется в пяльцах, то ее помещают на эластическое основание пялец лицевой стороной вверх. Если проба закрепляется на бегунках, то при ее разрушении происходит контакт грибков с нихромовой проволокой, лежащей на абразиве, что влечет за собой автоматический останов прибора.

Натяжение материала в пяльцах достигается за счет давления, оказываемого на него шариком 4, укрепленным на стержне. Пяльцы прижимаются к бегункам с помощью рычажно-грузового устройства 6. Необходимое давление в зоне контакта пробы с абразивом 9,8·10⁴ Па определяется положением груза, перемещающегося по резьбе рычага 7. Рычаг 7 снабжен линейкой с двумя шкалами. При наличии на рычаге 7 груза используется верхняя шкала. При наличии двух грузов давление в зоне контакта определяется по нижней шкале, градуировка которой соответствует давлению в зоне контакта пробы с абразивом.

В качестве абразива при испытании льняных и полульняных тканей для спецодежды используется водостойкая шкурка Р.СС 820х30 ЭН.5.Б. Для всех остальных тканей, подлежащих испытанию на стойкость к истиранию на приборе ДИТ-М, в качестве абразива используется серошинельное сукно арт. 6405. Хлопчатобумажные, шелковые, смешанные и ткани из химических нитей и пряжи испытывают при частоте вращения головки прибора 100 мин^-1, льняные и полульняные 200 мин^-1.

Для проведения испытания, а также из тканей из химических нитей и пряжи от каждой испытуемой ткани вырезают по шаблону 10 круглых проб 27±1 мм. Для испытания льняных и полульняных тканей от каждого испытуемого полотна вырезают две круглые пробы диаметром 85±2 мм. Для льняных и полульняных тканей для спецодежды вырезают 10 круглых проб диаметром 82 мм. Пробы должны вырезаться так, чтобы нити основы и утка каждой пробы не являлись продолжением нити основы и утка другой пробы.

Стойкость к истиранию определяется выносливостью, подсчитываемой как среднее арифметическое значение выносливости всех проб. Результаты испытания заносят в табл. 10.

Таблица 10

Материал	Число циклов истирания	Среднее значение циклов истирания	Среднее значение показателя.	Мs, г/м2	Ку	Коу	П, %
2…

В зависимости от поверхностной плотности и назначения тканей, нормативы устойчивости материалов к истиранию лежат в интервале:

- для хлопчатобумажных и смешанных тканей ведомственного назначения от 1000 до 3000 циклов;

- для шелковых и полушелковых тканей от 110 до 2000 циклов;

- для шерстяных и полушерстяных от 2000 до 5000 циклов;

- для льняных и полульняных тканей от 2 до 15 тыс. циклов.

Прибор ТИ-1М предназначен для определения стойкости к истиранию чистошерстяных и полушерстяных тканей, трикотажных полотен из всех видов пряжи и нитей нетканых полотен из всех видов волокон. По ГОСТ 9913-85 стойкость тканей к истиранию оценивается показателями: числом циклов до разрушения, изменениям фильца или ворса при истирании, закатываемостью ворса после заданного числа циклов истирания. Для трикотажных полотен стойкость к истиранию оценивается (ГОСТ 12739-85):по числу оборотов головок до разрушения элементарной пробы; по потере массы ворса.

Стойкость к истиранию нетканых полотен (ГОСТ 24945-81) характеризуется числом циклов истирания до появления каркасной сетки при испытании холстопрошивных и нитепрошивных полотен, прошитых синтетическими нитями, и до дыры при испытании других нетканых полотен.

Принцип работы прибора состоит во взаимодействии вращающихся истирающей поверхности и испытуемых проб, установленных в специальных зажимах на упругом основании.

Основными рабочими органами прибора являются (рис. 10.2) истирающий диск 1 с абразивом из карборунда или серошинельного сукна, надетым на ось 6, три рабочие головки 5 для прижатия пробы 2 посредством обойм 3 к резиновым мембранам 4. Обойма создает постоянное натяжение пробы.

Для остановки прибора в момент разрушения пробы и предохраняет мембран между ними и пробами расположены металлические контактные сетки. Сжатый воздух под давлением, от 0 до 35 кПа, поступает из пневмосети в рабочие головки 5 и прижимает пробу 2 к абразивному диску 1.

Рис. 10.2. Схема рабочих органов прибора ТИ-1М

Головки и истирающий диск вращаются относительно своих осей с одинаковой угловой скоростью в одном направлении. Поэтому силы трения в любой точке поверхности испытуемой пробы одинаковы и непрерывно меняют свое направление.

Частота вращения рабочих головок и диска регулируется от 75 до 200 мин^-1.

Количество циклов истирания фиксируется счетчиком.

Для испытания тканей из каждой точечной пробы вырезают по диагонали элементарные пробы диаметром 80 мм. Количество проб для тканей с открытым рисунком переплетения три, а для тканей, имеющих фильц или ворс - 9, из которых 3 пробы берутся для определения стойкости ткани к истиранию по плоскости; 3 пробы – для определения закатываемости ворса. В качестве абразива используется кольцо, с внешним диаметром 250 мм и внутренним 80 мм, вырезанное из серошинельного сукна арт. 6405.

На головку с закрепленной резиновой мембраной накладывают металлическую сетку, края которой прижимают пружинящим кольцом.

Элементарную пробу закрепляют в обойме одним концом наружу. Обойму без усилия и перекоса надевают на головку. Обойма своей массой 500±2 г создает постоянное натяжение пробы. Истирающий диск устанавливают по шаблону толщиной 3,0±0,1 мм и жестко закрепляют на оси.

Испытание проводят при частоте вращения истирающего диска и головок 150 мин^-1 и давления воздуха в пневмосети 26,7±0,2 кПа (200±2 мм.рт.ст.). Наблюдение за давлением воздуха в пневмосистеме ведется по показаниям манометра. Удаление продуктов истирания и охлаждение истирающего диска и головок проводятся вентилятиром, расположенным в столе прибора.

При разрушении одной из проб возникает электрический контакт между стальными ребрами истирающего диска и металлической сеткой, расположенной под пробой, и прибор автоматически останавливается. После этого по счетчику отмечают число циклов, отключают подачу сжатого воздуха к соответствующей головке и вновь включают прибор в работу до разрушения следующей пробы. Испытание проводят до разрушения всех 3 проб ткани. Каждую сторону абразива используют для одной заправки прибора.

Стойкость фильца или ворса к истиранию определяют при тех же параметрах работы прибора. Проводят испытание до 100 циклов, затем, если фильц или ворс не снят, продолжают испытание до 200 циклов и далее через каждые 100 циклов до полного снятия фильца или ворса на всей истираемой поверхности.

Снятие фильца или ворса определяют визуально. Число циклов до полного снятия фильца или ворса фиксируют по каждой пробе.

Каждую сторону абразива используют на одну заправку прибора. Испытание ткани на закатываемость ворса проводят при частоте вращения диска и головок 100 мин^-1 и давлении воздуха в пневмосистеме 2,7 кПа (20 мм.рт.ст.). Толщина шаблона в этом случае 5±0,1 мм. Испытание считают законченным после 100 циклов истирания. Каждую пробу абразива используют для двух заправок прибора. Степень закатываемости ворса устанавливают путем сравнения их с фотоэталонами.

При испытании трикотажных полотен количество проб, отбираемых от каждой точечной пробы должно быть: 9 штук - для определения стойкости к истиранию до разрушения и 12 штук - для определения стойкости к истиранию по потере массы ворса.

Элементарные пробы при испытании трикотажа могут быть двух размеров: диаметром 55±1 мм - при определении стойкости к истиранию по числу циклов истирания до разрушения пробы и диаметром 80±1 мм - при определении стойкости к истиранию по потере массы ворса по истечении заданного числа циклов истирания. В качестве абразива используют шлифовальный круг с условным обозначением ПП 250х13х76 24А –5Н –В1, со степенью твердости СТ1 или СТ3 по ГОСТ 2424-83, с колечками самоостанова.

Для правильной остановки абразива используются установочные шаблоны толщиной 1,5 мм. Частота вращения рабочих органов 150 мин ^–1.

При определении стойкости к истиранию по числу циклов до разрушения материала отобранные пробы предварительно замачиваются в течение 10 мин в растворе моющего средства при температуре 30±2⁰С для полотен, содержащих шерстяные волокна, и 40±2 ⁰С – для полотен всех других видов. Затем трижды по 30 мин прополаскивают при температуре 20±4⁰С и отжимают в центрифуге в течение 1 мин, после чего сушат в расправленном виде на плоскости. Испытание проводят при давлении в зоне контакта пробы с абразивом равном 3,3х10⁴ Па (250 мм.рт.ст.). Натяжение элементарной пробы создается обоймой массой 200±1 г.

Если число оборотов рабочих органов прибора в одной заправке превышает 400, то прибор выключают и приступают к испытанию следующих заправок.

В зависимости от стойкости к истиранию трикотажные полотна для верхних изделий по ГОСТ 16486-83 подразделяются на три группы: особо прочную, прочную и обыкновенную. Группа полотна по стойкости к истиранию указывается в стандартах и технических условиях на отдельные полотна.

Определение стойкости к истиранию по потере массы ворса проводят при давлении 1,7х10⁴ Па (130 мм.рт.ст). Натяжение элементарной пробы создается обоймой массой 500±2г. Перед испытанием элементарные пробы от точечной пробы взвешивают с погрешностью не более 0,01 г.

Элементарные пробы подвергаются 300 циклам истирания, после чего они выдерживают в нормальных атмосферных условиях не менее 10 ч и взвешиваются. За показатель стойкости к истиранию принимают среднее арифметической значение потери массы ворса (в граммах).

В зависимости от стойкости ворса к истиранию трикотажные полотна с начесом по ГОСТ 9730-77 делятся на три группы:

Группа полотна Норма потери массы ворса

после истирания,г

1-я Не более 0,25

2-я 0,26-0,50

3-я 0,51-0,70

Группа полотна по стойкости ворса к истиранию устанавливается в стандартах или в другой нормативно-технической документации.

Испытание нетканых полотен на приборе ТИ-1М проводят при тех же параметрах прибора, что и при испытании тканей. Каждую сторону абразива используют для двух-трех заправок прибора, но не более чем на 25000 оборотов истирающего диска

Результаты испытаний занести в табл. 11.

Таблица 11

Вид ворсового материала	Мs, г/м2	Масса проб, г	площадь истирания S,м2	Потеря П массы ворса, %
до истирания	после истирания
1…

В выводах дать оценку соответствия текстильного материала нормативным требованиям по устойчивости к истиранию.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие приборы применяют для определения стойкости текстильных материалов к истиранию, принцип их работы и методика определения показателей износостойкости

2. Что такое износостойкость, основные факторы износа?

3. Механические факторы износа. Механизм истирания. От чего зависит устойчивость материалов к истиранию?

4. В чем заключаются физико-химические факторы износа?

5. На каком приборе надо проводить испытание устойчивости к истиранию ворсовых материалов?

6. Биологические факторы износа. Как повысить устойчивость материалов к биологической коррозии?

7. Какие существуют способы повышения износостойкости материалов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6