Издаётся с марта 1959 года
Выходит 6 раз в год
Русская версия English version
Научно-технический журнал "Химические волокна"
+7 (495) 586-08-80
 
     Поиск по сайту журнала "Химические волокна"
Поиск по сайту
Главная  |  Архив журнала "Химические волокна" 2008 год  |  "Химические волокна" №4, 2008 год  |  Взаимосвязь процессов релаксации напряжений и эластического восстановления в полипропиленовой пленочной нити
Взаимосвязь процессов релаксации напряжений и эластического восстановления в полипропиленовой пленочной нити
Е. С. Цобкалло, А.А. Тихомиров, А. С. Баланёв, Л.Н. Петрова
(Санкт-Петербургский госydаpственный университет технологии и dизайна)

Полипропиленовые (ПП) плёночные нити широко используются для изготовления тканей для тарной продукции (мешки, коитейнеры), успешно заменив более дорогостоящие упаковочные материалы [1]. При различных механических воздействиях в нитях протекают релаксационные процессы: ползучесть, релаксация напряжений, эластическое восстановление. Поскольку подобные процессы приводят к значительному изменению деформационных характеристик, их необходимо учитывать в технологических режимах переработки и эксплуатации нитей. В работах [2-4] была установлена взаимосвязь деформационных характеристик со структурными изменениями, вызванными релаксационными процессами в ПП плёночных нитях. Методами инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния установлено, что следствием релаксации напряжений является упорядочение структуры аморфных областей, проявляющееся в увеличении деформационной жёсткости ПП нитей, а молекулярно-деструкционные процессы протекают с начальиых стадий удлинения и продолжаются вплоть до разрыва нитей. Структурные процессы в деформированных ПП плёночных нитях должны отражаться и на протекающих в этом материале релаксационных процессах. В работе [5] представлены результаты длительных исследований процессов релаксации напряжений в ПП пленочной нити в широком диапазоне деформаций и при различной температуре. Но при изучении релаксационного поведения нитей не менее важными являются и вопросы о закономерностях восстановления размеров нитей после частичного или полного снятия внешних механических воздействий. Процессы эластического восстановления нитей, следующие за выдерживанием нитей определённое время и при определённых значениях удлинения в деформированном состоянии, мало изучены, несмотря на частую их реализацию в практических случаях.

Задачи настоящей работы состояли в исследовании процессов релаксации напряжений и эластического восстановления, следующих за процессами релаксации напряжений в полипропиленовых плёночных нитях, в разработке методов описания и прогнозирования этих процессов на длительное время.

Объектом исследования являлась ПП пленочная нить (производства ОАО “Тверьхимволокно”) с кратностью вытяжки λ=6, линейной плотностью Т=130 текс, разрывной нагрузкой Ϭp=580МПа, удлинением при разрыве ɛp=22%. Исследования механических свойств нитей выполнялись на установке “Instron-U22”. В широком диапазоне варьировались как продолжительность растяжения (в пределах 4 логарифмических порядков), так и уровни растяжения.

В настоящей статье рассматривается взаимосвязь процессов релаксации напряжений и эластического восстановления ПП нитей. Подробное описание процессов релаксации напряжений в ПП плёночных нитях представлено в работе [5], поэтому здесь лишь кратко остановимся на основных закономерностях “прямого” релаксационного процесса - изменения внутренних напряжений в нитях при постоянной деформации. Были получены семейства кривых релаксации напряжений Ϭ(lg tp) нити в широком диапазоне заданного относительного удлинения ɛ3 (1<ɛ3<15%) и длительности процесса более 65 ч. Было отмечено, что процесс релаксации напряжений в ПП нити протекает достаточно интенсивно. Так, при ɛ=11, 13 или 15% значения о уменьшаются в 1.5-2 раза, что подтверждает протекание заметных структурных изменений, выявленных ранее [2-4]. Для выяснения особенностей процессов релаксации напряжений в ПП нити зависимости Ϭ(lg tp) были перестроены в координаты Е-lg(tp), где Е=Ϭ(tp)/ɛ3 - модуль релаксации (рис.1). Для исследуемой нити релаксационный процесс можно охарактеризовать как линейный, так как зависимости E(lg tp), соответствующие различным ɛ3, полностью совпадают. “Общая” S-образная зависимость E(lgtp) позволяет получать зависимости Ϭ(lg tp), соответствующие различным ɛ3, только на основании одной экспериментальной релаксационной кривой (при любом значении ɛ3), что существенно облегчает процесс описания и прогнозирования релаксации ПП нитей. Для аналитического описания и прогнозирования на длительные времена релаксации напряжений применялось уравнение, широко используемое при описании релаксационных процессов в ориентированных синтетических нитях [6, 7]:

где φp(t) - нормированная релаксационная функция, изменяющаяся от 0 до 1; Е0, Е - асимптотические значения модуля релаксации, полученные при t→0 и t→∞ соответственно.

В режиме деформирования при ɛ3=const уравнение (1) принимает следующий вид:

В качестве нормированной релаксационной функции φp(t) был использован интеграл вероятности, предложенный в работах [6, 7] для описания упруго-релаксационных процессов в синтетических ориентированных материалах:

где V(ɛ,t) - силовременной аргумент, определяющийся через значения характеристической деформационной функции fɛ:

где α - константа распределения.

При условии линейности вязкоупругих свойств справедливо следующее соотношение:

где τp - время релаксации, имеющее постоянное значение при заданной температуре в случае линейных вязкоупругих свойств материала.

Более подробная методика определения параметров, входящих в уравнения (2)-(5), приведена в работе [5]. Предложенный метод позволяет прогнозировать процесс релаксации напряжений по кратковременным экспериментальным данным на длительные времена и для широкого диапазона заданных деформаций. Следует отметить, что в случае линейной вязкоупругости для подобного прогнозирования необходимо иметь только одну кривую релаксации, полученную при относительно небольших временах и при одном каком-то значении ɛ. На основе предложенного метода разработана программа для ЭВМ, реализующая алгоритм прогнозирования. В работе [5] были исследованы процессы релаксации напряжений в ПП нити и при повышенной температуре. Исследование релаксационных процессов при различных температурах, определение параметров этих процессов позволило получить зависимость lg τp(Т), что открывает возможность прогнозирования релаксационных процессов в ПП нитях не только в широком диапазоне деформаций, но и при различной температуре.

При анализе процесса эластического восстановления, следующего за процессом релаксации, учитывалась длительность предварительного деформирования при релаксации напряжений (tp) и заданные уровни удлинения (ɛ3). В широком диапазоне варьировались как продолжительность растяжения (в пределах 4 логарифмических порядков), так и уровни растяжения. Достаточно длительными были и времена наблюдения восстановительных процессов (tв). Таким образом были получены зависимости остаточной деформации (ɛв) при различных tp и ɛ3. На рис.2 и 3 представлены некоторые из семейств кривых эластического восстановления ɛв(tp, ɛ3, tв) ПП плёночных нитей для уровней предварительного деформирования ɛ3=5 и 11%. Подобные семейства получены и для других уровней ɛ3(2, 9, 7%). Почти все зависимости ɛв(tp, ɛ3, tв) имеют чётко проявляющуюся S-образную форму. Так как продолжительность процессов восстановления в исследованиях была весьма высока, стало возможным определение асимптотических значений кривых эластического восстановления ɛ при t→∞ и ɛ0 при t→0. При большой продолжительности восстановительного процесса значения £ж соответствуют необратимым пластическим деформациям при заданных уровнях исходных деформаций и длительностях “прямого” процесса релаксации напряжений - tp. Пластические деформации имеют достаточно высокие значения (до 15-20% от исходного растяжения), что обосновывается полученными нами данными о необратимости структурных перестроек, проходящих в результате релаксации напряжений в ПП плёночных нитях [24]. На основании экспериментальных исследований были получены зависимости асимптотических уровней от заданной деформации и от длительности “прямого” процесса, т.е. ɛ3 , tp) и  ɛ03 , tp).

S-образный характер кривых восстановления (рис.2 и 3) позволил также рассчитать времена релаксации для процесса восстановления. Времена релаксации (τ) могут быть определены как “точка перегиба” на S-образных графических зависимостях ɛв(tp, ɛ3, tв); они соответствуют моменту времени, при котором наблюдается максимальное значение параметра скорости протекания процесса восстановления, т.е. максимальному значению ɛвτ=дɛв/дlntв. Таким образом, время релаксации определялось экспериментально из зависимостей ɛв(tp, ɛ3, tв). Значения τв оказались зависимыми от продолжительности деформированного состояния tp и от величины деформации ɛ3, что свидетельствует о нелинейности природы вязкоупругих процессов восстановления, протекающих в ПП плёночных нитях. Отметим, что описание “прямого” процесса, т.е. процесса релаксации напряжений в ПП нитях, является более простым, так как основывается на выявленной линейной вязкоупругости этого процесса.

Описание процесса восстановления ПП нитей было проведено с учётом установленных закономерностей изменения эластической составляющей остаточной деформации и экспериментально выявленных зависимостей начального и конечного асимптотических уровней. Показано, что величина £в, зависящая от t, £з и t, может быть получена из следующего уравнения:

где ɛв(tp, ɛ3, tв) - искомая функциональная зависимость, аргументами которой являются tp- длительность прямого процесса релаксации; ɛ3 - заданный уровень деформации; tв- момент времени процесса восстановления для определения остаточной деформации; ɛ0(tp, ɛ3) - начальный асимптотический уровень остаточной деформации; ɛ8(tp, ɛ3) - конечный квазиравновесный асимптотический уровень остаточной деформации (пластическая составляющая); φв3, tв) - нормированная функция, изменяющаяся в пределах [0; 1]. Для описания процесса эластического восстановления в настоящей работе в качестве φв использовалась следующая функция [6, 7]:

где К - постоянный коэффициент, определяемый на основании экспериментальных данных по эластическому восстановлению.

На основании экспериментальных данных и выявленных закономерностей было предложено функциональное описание с целью определения остаточной деформации в любой момент времени восстановления tв с учётом заданного уровня деформации и продолжительности прямого процесса релаксации.

Процесс построения аналитического описания и расчёта остаточной деформации процесса восстановления состоит в следующем:

  • аппроксимация зависимости ɛ0(tp, ɛ3) - значений начального асимптотического уровня процесса эластического восстановления (рис.4) с помощью метода наименьших квадратов (МНК) - вычисление ко эффициентов при аппроксимирующем полиноме 2-й степени;
  • аппроксимация зависимости  ɛ8(tp, ɛ3) - значений квазиравновесного асимптотического уровня процесса эластического восстановления (рис.5) с помощью МНК - вычисление коэффициентов при аппроксимирующем полиноме 2-й степени;
  • нахождение коэффициентов при аппроксимирующем полиноме 2-й степени с помощью МНК для описания зависимости времени релаксации τв от заданной деформации ɛ3 и продолжительности процесса релаксации tp (рис.6);
  • нахождение значений характеристик скорости протекания процесса восстановления, используя зависимость lg(τв) от lg(tp) и ɛ3;
  • составление программы для ЭВМ, рассчитывающей значения ɛ0(tp, ɛ3), ɛ8(tp, ɛ3), lg(τв) и характеристики скорости протекания процесса релаксации, и как результат - расчёт остаточной деформации в любой момент времени tв процесса восстановления с учётом параметров t0 и ɛ3

На рис. 2 в качестве примера приводится одна из кривых восстановления, рассчитанная с помощью разработанного алгоритма.

  • Разработан метод прогнозирования процессов релаксации напряжений в ПП плёночных нитях, основанный на выявленной линейной вязкоупругости.
  • Изучены процессы эластического восстановления ПП плёночной нити, следующие за процессами релаксации напряжений разной продолжительности.
  • Показано, что кривые восстановления в полулогарифмической системе координат характеризуются начальным и конечным асимптотическими уровнями, а также S-образностью эластической составляющей процесса, важной характеристикой которой является время релаксации.
  • Выявлена сложность параметров процесса восстановления, нелинейно зависящих от заданного уровня деформации и продолжительности прямого процесса релаксации.
  • Предложена методика аналитического описания и прогнозирования процесса эластического восстановления ПП плёночных нитей с учётом параметров предшествующего процесса релаксации напряжений: в зависимости от продолжительности прямого процесса релаксации и заданного уровня растягивающей деформации.

Библиографический список
1. Исаева В.А., Айзенштейн Э.М., Соболева О.Н. // Хим. волокна. 1997. № 5. - С.3-13.
2. Tsobkallo Е., Tikhomirov A., Tshmel A. // Polymer. 2004. V.45. № 5. - P.1689-1696.
3. Цобкалло Е.С., Тихомиров А.А. и др. // J. Appl. Polymer Sci. 2006. V.102. - P.6074-6080.
4. Цобкалло Е.С., Чмель А.Е., Тихомиров А.А. // Хим. волокна. 2006. № 1. - C.32-35.
5. Цобкалло Е.С., Тихомиров А.А. и др. // Изв. вузов. Технол. текст. пром-сти. 2007. № 1. - С.39-42.
6. Сталевич А.М. Деформирование высокоориентированных полимеров. Теория линейной вязкоупругости. Конспект лекций. 4.1. - Санкт-Петербург: СПГУТД. 1995. - 80 с.
7. Сталевич А.М. Деформирование высокоориентированных полимеров. Теория нелинейной вязкоупругости. 4.2. - Санкт- Петербург: СПГУТД. 1997. - 196 с.

О журнале        Новости        Редколлегия        Авторам        Библиотека        Архив издания        Контакты
Copyright © 2018 "Химические волокна"
Design by Sergey Dorodnikov
 
+7 (495) 586-08-80
 
141009, Россия, Московская обл.
г. Мытищи, а/я 217