Исследование зависимости прочности клеевых соединений от технологических параметров склеивания при изготовлении верхней одежды

Многие исследователи определяют свободную поверхностную энергию твердого тела по краевому углу смачивания.

Энергию Wж системы "твердое тело (текстильный материал) -- жидкость (клей)" определяют по формуле:

, (1.7)

Одной из наиболее важных моделей в науке об адгезии является реологическая модель, или модель умножения факторов. В этой модели сила адгезии Sa равняется произведению энергии W на функцию потери Ф, которая характеризует рассеянную энергию при вязкоупругой или пластической деформации материалов и зависит от степени излома и температуры t:

, (1.8)

Значение Ф обычно гораздо больше, чем значение W, а рассеянную энергию можно рассматривать как важный фактор в образовании сил адгезии.

Сила сопротивления срезу измеренная на промежуточном участке между волокном и матрицей из клея, находится в прямой зависимости от свободной энергии адгезии W. Работа сопротивления срезу G эквивалентна:

, (1.9)

где к -- постоянная, равная 0,5 нм, что соответствует среднему расстоянию между молекулами при протекании физических явлений;

Еm, Ef-- соответственно модули упругости матрицы (адгезива) и волокна.

Влияние образованных промежуточных слоев, свойства которых резко отличаются от свойств адгезива, на упрочнение клеевого соединения подтверждено многочисленными экспериментами [4].

Теория диффузии основана на том, что возникновение адгезии между полимерами происходит из-за взаимной диффузии макромолекул в пограничные области. В результате образуется промежуточная фаза. Такой подход предложен С.С.Воюцким на основе изучения подвижности цепей макромолекул высокополимеров и их растворимости друг в друге. Теория диффузии предполагает проникновение как молекул жидкого адгезива в субстрат, так и молекул субстрата в адгезив в результате его набухания. Оба процесса приводят к исчезновению границы между фазами и образованию зоны, в которой один высоко полимер постепенно переходит в другой. В этом случае адгезия рассматривается не как поверхностное, а как объемное явление.

Диффузия макромолекул полимеров через поверхность раздела при ее большой протяженности возможна только при температуре выше температуры их плавления. Для развития диффузии в области раздела полимеры должны иметь термодинамическую совместимость. Кроме того, большинство полимеров не предрасположено к образованию однородных смесей друг с другом, это объясняется тем, что суммарная энтропия смеси двух полимеров значительно меньше, чем исходных низкомолекулярных компонентов. Вместе с тем энтальпия раствора выступает в качестве движущего фактора для его образования.

Следует отметить, что для клеевых соединений деталей одежды смешиваемость невозможна из-за сохранения каждым текстильным материалом своих собственных свойств. Сила адгезии будет зависеть, в частности, от продолжительности контакта, температуры, свойств и молекулярной массы полимеров. Такие зависимости установлены для многих пар полимеров и характерны для процесса склеивания текстильных материалов.

Р.М. Васенин создал количественную модель теории, в соответствии с которой количество материала, диффундирующее в направлении х через единицу площади поверхности, зависит от соотношения концентрации и температуры t:

, (1.10)

где Df -- коэффициент диффузии;

с -- концентрация материала.

Для определения глубины проникновения диффундируемых молекул в области контакта за время tc. P.M.Васенин предложил, что изменение коэффициента диффузии со временем определяется по формуле:

, (1.11)

где Dd -- постоянная, характеризующая подвижность цепей макромолекул полимеров.

Глубину проникновения 1р, а также число молекулярных цепей Nc, пересекающих поверхность раздела, определяют по формулам:

; (1.12)

, (1.13)

где к, -- постоянные;

N -- число Авогадро;

-- плотность полимера;

М -- молекулярная масса полимера.

Энергия адгезии G пропорциональна глубине проникновения и числу цепей, пересекающих промежуточную поверхность между адгезивом и твердым телом. Из предыдущих уравнений (1.11 -- 1.13) получено выражение:

, (1.14)

где к -- постоянная, зависящая от молекулярных особенностей полимеров, соприкасающихся друг с другом.

Теория и результаты экспериментов полностью соответствуют друг другу в случае соединения полимеров одного состава, но с разными молекулярными массами.

Существенная критика предложенных моделей сводится к невозможности определить количественно к и Dd.

Подтверждено, что коэффициент диффузии Df, характеризующий диффузию центра массы, пропорционален М-2.

Данная теория подтверждает, что явление диффузии для многих соединений полимеров существенно влияет на адгезию. Однако эта теория не объясняет, почему склеиваются материалы, взаимно не диффундирующие. Последнее обстоятельство не позволяет уверенно использовать ее для объяснения склеивания текстильных материалов.

Теория химических связей. Совершенно очевидно, что химические связи, которые возникают в местах соприкосновения адгезива с твердым телом, могут повлиять на силу адгезии между двумя веществами. Эти связи имеют более важное значение, чем, например, физические силы Ван-дер-Ваальса, которые называют вторичным взаимодействием.

"Первичная" и "вторичная" связи обязаны своим названием энергии каждого вида соединения. Энергия химических связей составляет (кДж/моль):

Ионные0... 1050

Ковалентные... 710

Металлические 110...350

Образование химических связей зависит от реакционной способности адгезива и твердого тела. Их инициирование возможно за счет дополнительных связующих веществ, вводимых между адгезивом и твердым телом и образующих химические связи с обоими веществами. Для текстильных материалов такими дополнительными веществами могут служить отделочные препараты, наносимые на них при заключительной отделке.

Установление химического взаимодействия или возникновение физических сил в пограничной области клеевого соединения различных материалов необходимо для описания этапа промежуточной диффузии и дальнейшего увеличения сил адгезии, т.е. сил прилипания, или сцепления.

В целом использование этой теории всегда требует экспериментального подтверждения возникновения химических связей. Очень трудно доказать, что, например, увеличение прочности склеивания связано с протеканием химических реакций.

Таким образом, следует констатировать, что адгезия -- это очень сложное явление, чтобы объяснить его какой-то единственной моделью или теорией. Практически одновременно может действовать несколько механизмов соединения. Вместе с тем выявление преобладающей тенденции при обязательном признании присутствия других тенденций позволит: управлять процессом склеивания текстильных полотен; проектировать термоклеевые текстильные прокладочные материалы с заданной адгезионной способностью.

В теория склеивания текстильных материалов впервые были рассмотрены особенности текстильных материалов и адгезивов, как компонентов клеевого соединения, выбран универсальный показатель адгезионной способности текстильных материалов, описаны механизмы формирования поверхности адгезионного контакта и разрушения адгезионных соединений с учетом специфики строения компонентов клеевого соединения и протекания процесса склеивания [4].

Текстильные материалы (пряжа, ткань, нетканые и трикотажные полотна) - это сложные анизотропные материалы капиллярно-пористой структуры с развитой внутренней и внешней поверхностями. По сравнению с металлами, древесиной, полимерами и другими твердыми телами текстильные материалы имеют неоднородный химический состав как на уровне первичных элементов - волокон, так и на уровне комплексного продукта - нетканого или трикотажного полотна.

Число нитей или волокон разной химической природы варьируется в очень широких пределах. Например, в пряже, получаемой путем скручивания волокон и нитей, всегда более легкие волокна вытесняются на периферию, из-за чего существуют различия в химическом составе внутри материала и на его поверхности. Это делает невозможным выделение и строгое количественное описание тех компонентов, которые будут формировать внешнюю поверхность текстильного материала.

Краситель и отделочный препарат (или препараты), ассортимент которых включает в себя свыше 1000 наименований, в совокупности могут составлять до 12 % поверхностной плотности текстильного материала. Будучи нанесенными на его поверхность, они блокируют активные центры волокнообразующих полимеров, а из-за своей инертности снижают и химическую активность текстильного материала.

Содержащийся внутри текстильных материалов воздух соотносится с объемом волокнистой массы как 1:5... 1:4. Поры внутри текстильного материала значительно увеличивают гипотетическую площадь адгезионного контакта между ним и адгезивом. Однако вследствие "захлопывания" пор жидким адгезивом возможность проникновения его внутрь текстильного материала может значительно уменьшаться.

Шероховатость поверхности текстильных материалов очень значительна и затрудняет протекание реологических процессов при адгезионном контакте, делает невозможным применение реологической теории склеивания.

Особенностью клеев, применяемых для склеивания текстильных материалов, является их низкая адгезионная активность. Между функциональными группами основных видов клеев -- полиэтиленового (ПЭ), полиамидного (ПА), акрилового (Пакр)- и функциональными группами волокнообразующих полимеров (например, целлюлозы) возможно возникновение различных межмолекулярных связей. Слабая энергия этих связей не позволяет рассматривать их как движущий фактор при установлении межфазного взаимодействия. Известно, что возникновение взаимодействия на границе "текстильный материал -- адгезив" возможно только при приложении к компонентам сжимающего давления 30...50 кПа.

Таким образом, описание особенностей текстильных материалов как субстратов адгезионного взаимодействия представляет собой сложную проблему, решение которой должно быть найдено путем выявления присущих всем без исключения текстильным материалам свойств.

Теория склеивания текстильных материалов разработана на базе механической теории, а в качестве основополагающей адгезионной характеристики текстильных материалов взята ворсистость.

Постулат разработанной теоретической концепции звучит следующим образом: чем выше ворсистость текстильного материала, тем большая по величине площадь адгезионного контакта будет сформирована на границе раздела фаз, тем более благоприятные условия возникнут для получения прочного адгезионного соединения.

Процесс разрушения адгезионного соединения при прикладывании расслаивающей нагрузки представляет собой последовательное деформирование клея и всех компонентов текстильного материала (пряжи, волокон) вплоть до их смещения, деформирования (вытягивания) или разрушения. Внешняя расслаивающая нагрузка может вызывать:

1 разрыв волокон, ранее выступавших над поверхностью текстильного материала (рис. 1.2, а);

2 отслаивание клея без разрушения элементов текстильного материала (рис. 1.2, б);

3 разрушение по массе клея (рис. 1.2, в).

а -- с разрывом волокон; б -- без разрыва волокон; в -- с разрушением по массе клея

Рисунок 1.2 - Разрушение клеевых соединений текстильных материалов

Экспериментальный анализ перечисленных видов разрушения большого числа адгезионных соединений позволил установить основную причину их расслаивания, заключающуюся в разрушении волокон (см. рис. 1.2, а) и нитей, формирующих приповерхностный слой.

Вторым постулатом разработанной теории является следующий: чем выше прочность волокон текстильного материала, тем прочнее будет адгезионное соединение. Прочность адгезионного соединения текстильных материалов будет зависеть от следующих количественно определяемых величин: суммарной площади адгезионного контакта клея с текстильным материалом; усилия разрушения ворсового покрытия на поверхности текстильного материала.

Таким образом, ворсистость текстильного материала и показатели свойств составляющих его волокон -- диаметр и разрывная нагрузка -- являются определяющими факторами при формировании адгезионного контакта и его разрушении [4].

1.2 Анализ методик на определение прочности клеевого соединения

Теоретические разработки в настоящее время не позволяют надежно предсказать прочность и другие свойства клеевых соединений. Но исследования все время ведутся по подобным испытаниям и большое значение придается выбору метода.

Например, в Американской ассоциации по проведению испытаний и изучению материалов (ASTM) существует комитет D-14, который занимается разработкой стандартов для проведения испытаний адгезионных материалов. В большинстве стран Европы и Азии существуют национальные организации с аналогичными целями, но многие из действующих в этих странах стандартов, в том числе и в России, основаны на стандартах ASTM.

Классификация методов испытаний клеевых соединений приведена на рисунке 1.2.

Информация, получаемая после испытаний, может быть представлена:

- количественными показателями, т.е. числовыми значениями физических величин, например упругости, прочности, адгезионной способности, изменения линейных размеров и т.п.;

- качественными оценками.

В соответствии с этим разделением контроль процесса проектирования и получения клеевых соединений можно проводить как с помощью приборов, так и без них. Например, отслоение термоклеевых прокладочных материалов от основного материала, относящееся к дефектам внешнего вида, обнаруживается визуально. Перед проведением количественных измерений рекомендуют провести качественный эксперимент, необходимость которого поясняется следующим очевидным рассуждением. Все пары из адгезивов и текстильных материалов не являются идеально совместимыми. Адгезив, который может прочно соединяться с одним материалом, может образовывать очень слабые связи с другим. Между этими двумя состояниями существуют разные степени адгезии, усиливаемые параметрами процесса склеивания, в частности температурой [4].

Рисунок 1.2 - Классификация методов испытаний исходных компонентов, клеевых соединений и контроля параметров процесса склеивания

На рисунке 1.3 показан внешний вид проб разных текстильных материалов после расслаивания клеевых соединений в ходе предварительных экспериментов.

В зависимости от места и времени проведения испытаний они могут быть входными, технологическими и итоговыми. Из показателей входных испытаний наиболее важным является адгезионная способность компонентов будущего клеевого соединения.

После определения показателей свойств исходных материалов проводят их сравнение с контрольными значениями, что, в свою очередь, может вызвать проведение других дополнительных испытаний.

Например, если клеевой материал укорачивается после нагревания, то готовое клеевое соединение обязательно проверяют на усадку. По температуре плавления клея, который нанесен на термоклеевой прокладочный материал, назначают температуру склеивания (температуру поверхности рабочих органов оборудования).

а -- клей остается на прокладочном материале; б -- клей остается на основном материале; в -- клей остается на обоих материалах; 1 -- основной материал; 2 -- прокладочный материал; 3 -- клей

Рисунок 1.3 - Внешний вид текстильных материалов после расслаивания клеевых соединений

Методы технологических испытаний процесса склеивания аналогичны методам контроля параметров другого процесса -- влажно-тепловой обработки швейных изделий.

Итоговые методы испытаний клеевых соединений классифицируются по признаку сохранения целостности клеевого соединения и могут быть неразрушающими и разрушающими.

Неразрушающие методы испытаний реализуют как на пробах, так и, что особенно важно, на готовых швейных изделиях, т.е. при контроле качества одежды.

Основными показателями, определяемыми при этих методах, являются:

1 способность клеевых соединений к растяжению;

2 изменение линейных размеров;

3 жесткость;

4 упругость;

5 пространственная формоустойчивость;

6 дефекты внешнего вида.

К сожалению, объем информации, формируемый после неразрушающих методов испытаний, не дает представления о прочности клеевых соединений, которая оказывает решающее влияние на сроки и условия их эксплуатации.

Разрушающие методы испытаний реализуют на пробах, что ограничивает область их распространения только рамками лаборатории. Тем не менее разрушающие методы испытаний исключительно информативны и важны. При разрушающих методах испытаний определяют:

1 прочность клеевых соединений при нормальных условиях влажности и температуры;

2 термомеханическую зависимость прочности клеевого соединения от температуры;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11