Luận án tiến sĩ nghiên cứu đặc trưng cơ học của vải kỹ thuật chống thấm

Vải chống thấm nhiều chủng loại phong phú, được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội như: vải bạt che xe tải, kho tàng, lều, các loại túi đệm khí thoát hiểm trong hàng

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học Bách khoa hà nội

====== ======

hoàng thanh thảo

Nghiên cứu đặc trưng cơ học của vải kỹ thuật chống thấm

luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2005

Trường đại học Bách khoa hà nội

====== ======

hoàng thanh thảo

Nghiên cứu đặc trưng cơ học của vải kỹ thuật chống thấm

luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2005

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học Bách khoa hà nội

====== ======

hoàng thanh thảo

Nghiên cứu đặc trưng cơ học của vải kỹ thuật chống thấm

chuyên ngành: công nghệ vật liệu dệt mã số 2.12.03

luận án tiến sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học

GS.ts Trần nhật chương pgs.ts cao hữu trượng

Hà Nội - 2005

TrƯờng đại học Bách khoa hà nội

====== ======

hoàng thanh thảo

Nghiên cứu đặc trƯng cơ học của vải kỹ thuật chống thấm

chuyên ngành: công nghệ vật liệu dệt mã số 2.12.03

luận án tiến sĩ kỹ thuật

NgƯời hƯớng dẫn khoa học:

Hà Nội - 2005

®­îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶

Hoµng Thanh Th¶o

Lời cảm ơn

Trước hết, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Giáo sư, Tiến sỹ Trần Nhật Chương và Phó Giáo sư, Tiến sỹ Cao Hữu Trượng, những người thầy tâm huyết đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi góp ý cho tôi trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy Cô giáo, các bạn đồng nghiệp Khoa Công nghệ Dệt May và Thời trang Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội, đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi để tôi có thể hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ Phòng thí nghiệm 3 Trung tâm đo lường 1, Viện Kinh tế Kỹ thuật Dệt - May, Công ty Dệt Phước Long, Công ty Nhựa Rạng đông, Công ty Dệt 19/5, Công ty Dệt 8/3 đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận án này

Lời cảm ơn chân thành của tôi xin gửi đến đề tài VLIR-HUT IUC/ PJ9

đã cấp học bổng cho tôi trong thời gian thực tập nghiên cứu ở nước ngoài

Cuối cùng, nhưng rất quan trọng là lòng biết ơn chân tình nhất tới Gia

đình tôi, những người thân yêu gần gũi nhất đã cùng san sẻ gánh vác mọi công việc để tôi yên tâm hoàn thành luận án

(Hội thử nghiệm và vật liệu Hoa kỳ) ISO The International Standard Organization

(Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế)

PU Polyurethane PVC Polyvinyl chloride

R Hệ số tương quan

t Thời gian (phút)

mở đầu

Vải kỹ thuật là một thuật ngữ có ý nghĩa rất rộng Nó bao gồm tất cả các sản phẩm có gốc nguyên liệu dệt và được tạo ra bằng các phương pháp cơ học, hóa học, vật lý, thủy lực Nhờ có những tính chất rất đặc biệt nên vải kỹ thuật được sử dụng trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải, thủy lợi, thể dục thể thao, du lịch, y tế, vũ trụ

Đối với các nước phát triển cũng như đang phát triển, nhu cầu về vải kỹ thuật ngày càng cao Vải kỹ thuật đã và đang xâm nhập mạnh mẽ vào tất cả các lĩnh vực kỹ thuật và cuộc sống sinh hoạt của con người cũng như trong tất cả các ngành kinh tế của một quốc gia Từ sâu trong lòng đất, trên bề mặt trái đất cũng như trong vũ trụ

đều có mặt những chủng loại vải kỹ thuật từ cấp thấp đến cấp cao hoặc cấp đặc biệt Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, yêu cầu ngày càng nhiều các loại vải kỹ thuật có công dụng khác nhau dùng cho các ngành kinh tế Những thập kỷ gần đây đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của sản xuất và tiêu thụ vải kỹ thuật

Kể từ thập kỷ 70 của thế kỷ XX trở lại đây, công nghệ sản xuất nguyên liệu dệt dùng vào mục đích kỹ thuật cũng như công nghệ sản xuất vải kỹ thuật và công nghệ hoàn thiện sản phẩm vải kỹ thuật đã có những tiến bộ và hiện đại hóa rất nhanh Tốc

độ tăng trưởng bình quân hàng năm của sản xuất vải kỹ thuật trên toàn thế giới bằng 4%

Trong thế kỷ XXI, cùng với sự phát triển hài hòa của các lĩnh vực khác trong nền kinh tế, đòi hỏi vải kỹ thuật không chỉ đáp ứng về số lượng mà còn phải đa dạng, chất lượng tốt và có các thông số phù hợp

Vải kỹ thuật được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau Do đặc trưng và do những phẩm chất đáng quý khó thay thế mà ngày nay, vải kỹ thuật nói chung và vải chống thấm nói riêng đang được quan tâm nhiều Vải chống thấm nhiều chủng loại phong phú, được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội như: vải bạt che xe tải, kho tàng, lều, các loại túi đệm khí thoát hiểm trong hàng không, vải lót chống thấm kè ao, hồ

2

ở Việt nam chưa có cơ quan nào nghiên cứu và tổ chức sản xuất thử những mặt hàng chống thấm chất lượng cao để có cơ sở triển khai vào sản xuất quy mô lớn Các tài liệu khoa học và công nghệ về lĩnh vực này còn thiếu Số các nhà khoa học quan tâm đến lĩnh vực này quá ít

Trong ngành Dệt nước ta, việc tổ chức nghiên cứu và triển khai sản xuất vải kỹ thuật, nhất là vải chống thấm sẽ là định hướng đúng đắn và phù hợp với xu thế phát triển vải kỹ thuật trên thế giới cũng như trong khu vực

Luận án ''Nghiên cứu đặc trưng cơ học của vải kỹ thuật chống thấm''

nhằm nghiên cứu những tính năng của vải kỹ thuật chống thấm dưới góc độ vật liệu dệt là cần thiết, trên cơ sở khoa học và thực nghiệm sẽ đánh giá, phân tích, giúp ích cho việc dùng những sản phẩm chống thấm phù hợp với mục đích sử dụng

Luận án có mục đích phát hiện quy luật biến dạng của vải trước và sau xử lý chống thấm của một số loại vải kỹ thuật chống thấm phổ biến hiện nay ở nước ta Từ

đó nắm vững hơn những hiện tượng trong thực tế sản xuất, hoặc thử nghiệm các đặc trưng cơ học để đề xuất những ý kiến đóng góp vào lĩnh vực nghiên cứu phát triển vải

kỹ thuật

Việc nghiên cứu thực nghiệm dựa trên một số loại vải kỹ thuật chống thấm đang

sử dụng như:

Vải bông, vải Peco ngâm tẩm chống thấm bằng Oleophobol C

Vải dệt từ xơ Polyamide (PA), Polyester (PES) được tráng phủ Polyurethane (PU), Acrylic (AC), Polyvinyl chloride (PVC)

Chúng được sản xuất trong nước, từ sợi đơn đến khi thành sợi kỹ thuật, dệt thành vải và xử lý chống thấm (ngoại trừ tơ filament PA, PES còn phải nhập)

Luận án gồm những nội dung chủ yếu sau:

1- Nghiên cứu một số đặc trưng cơ học của vải chống thấm sản xuất tại Việt nam như: đặc trưng cơ học kéo - giãn, xé, chống thấm, thoáng khí và các thông số vật

A Những điểm mới của luận án:

1- Rút ra kết luận khoa học về các đặc trưng cơ học kéo - giãn, xé, chống thấm, thoáng khí của vải trước và sau xử lý chống thấm bằng phương pháp ngâm tẩm, tráng phủ, cán tráng

2- ứng dụng lý thuyết và thực nghiệm rão để nghiên cứu sự biến dạng của vải tráng phủ sản xuất tại Việt nam

3- Đề xuất việc nghiên cứu sự biến dạng rão ngược của vải tráng phủ

4- Đề xuất hệ số rão để đánh giá sự rão của vải tráng phủ biến dạng theo thời gian 5- ứng dụng mô hình Burgers để nghiên cứu biến dạng rão thuận của vải tráng phủ

B ý nghĩa khoa học của luận án:

1- Xác định được mối quan hệ một số đặc trưng cơ học của vải đã xử lý chống thấm

và vải chưa xử lý chống thấm, làm cơ sở cho việc lựa chọn vải nền, chất chống thấm, công nghệ chống thấm trên quan điểm đặc trưng cơ học của vải

2- Tìm được đặc trưng rão và rão ngược của vải tráng phủ

3- Xác lập cơ sở khoa học của đặc trưng rão và rão ngược để nghiên cứu các loại vải

kỹ thuật khác

4- Xác định được nồng độ chất ngâm tẩm tối ưu xét trên phương diện độ bền cơ học cho vải ngâm tẩm

C Giá trị thực tiễn của luận án:

1- Nghiên cứu mối quan hệ giữa các đặc trưng của vải trước và sau xử lý chống thấm, giúp các nhà sản xuất lựa chọn được phương án chống thấm (ngâm tẩm, tráng phủ) phù hợp với mục đích sử dụng

2- Nhà sản xuất và người sử dụng có thể dự đoán trước biến dạng rão của vải tráng phủ đã nghiên cứu tại bất cứ thời điểm nào với bất cứ mức tải trọng nào để ứng dụng vào đời sống

Luận án gồm bốn chương:

Chương 1: Khảo sát về vải chống thấm và hiện tượng biến dạng của vải dưới tác

dụng của tải trọng

Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và bàn luận

Chương 4: Kết luận của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo

4

Chương 1

Khảo sát về vải chống thấm

và hiện tượng biến dạng của vải

dưới tác dụng của tải trọng

Tóm lược

Phần đầu chương giới thiệu một cách khái quát về vải chống thấm, phân loại và ứng dụng, bản chất chống thấm, công nghệ sản xuất

Phần giữa trình bày một số đặc trưng cơ học của vải, biến dạng rão và lơi, các công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề trên

Hướng nghiên cứu của luận án được trình bày ở cuối chương

1.1- Khảo sát về vải chống thấm:

Những thập kỷ gần đây, vải kỹ thuật đã được sản xuất và sử dụng ở nhiều lĩnh vực, trong đó có mặt hàng vải chống thấm

Vải chống thấm đã được quan tâm nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới, nhưng còn tương đối mới mẻ ở Việt Nam Theo tình hình phát triển công nghiệp nói chung,

và công nghiệp Dệt nói riêng, vải chống thấm sẽ phát triển mạnh trong thời gian sắp tới đặc biệt ở Việt Nam Việt nam đang sản xuất vải chống thấm ở quy mô nhỏ, một

số lượng lớn vải chống thấm dùng trong sinh hoạt và kỹ thuật vẫn phải nhập khẩu

1.1.1- Khái quát:

Nghiên cứu để nắm được bản chất chống thấm nước cho vải khá phức tạp và gặp nhiều khó khăn Quá trình thấm xảy ra cả ở trạng thái tĩnh lẫn trạng thái động, phải kết hợp hai phương pháp thử tĩnh và thử động để cùng khảo sát, nghiên cứu Các công trình khoa học chống thấm có chung định nghĩa: ''Chống thấm nước là khả năng của vải chống lại sự thấm ướt hay sự ngấm nước vào vải trong điều kiện thử nghiệm''

Hiện nay có nhiều mặt hàng vải được xử lý chống thấm nước với mức độ khác nhau Để phân biệt các mặt hàng theo tính năng, phương pháp sản xuất, phạm vi sử dụng dùng các khái niệm và thuật ngữ:

∗ Vải không thấm nước (Water proof) [72] là những mặt hàng được tráng phủ (coating) một màng polyme mỏng liên tục trên bề mặt Màng polyme vừa phủ thành một lớp mỏng liên tục trên bề mặt, vừa lấp đầy các lỗ trống giữa các xơ sợi làm cho nước không thấm qua vào cấu trúc vải, nhưng đồng thời không khí và hơi nước cũng không thấm qua được, nên không thích hợp cho việc may mặc Phần lớn loại vải này được dùng làm vải che mưa, vải bạt bảo vệ kho tàng

∗ Vải kỵ nước (Water repellent) [72] là các mặt hàng được xử lý bằng các hợp chất không ưa nước (ngâm tẩm chống thấm) Khi đưa nước lên bề mặt vải đã xử lý kỵ nước, giọt nước sẽ không có khả năng loang rộng và thấm vào vải, nó sẽ thu lại thành dạng hạt tròn dễ lăn khỏi vải do sức căng bề mặt của vải thấp hơn nhiều so với chỉ tiêu này của nước Do các lỗ trống giữa xơ sợi của vải đã xử lý theo kiểu này không bị phủ kín bởi nhựa nên vải vẫn cho không khí và hơi nước đi qua, được

sử dụng rộng rãi trong may mặc

6

1.1.2- Các loại vải tráng phủ và lĩnh vực sử dụng:

Trong các loại vải chống thấm thì vải tráng phủ là thông dụng nhất Vải tráng phủ cho giá trị gia tăng cao và lợi nhuận lớn Phạm vi ứng dụng của vải tráng phủ rất rộng, rất đa dạng, gần như nó có mặt trong tất cả các lĩnh vực của đời sống và kỹ thuật

1.1.2.1- Các loại vải tráng phủ:

Hiện nay, các loại vải tráng phủ đang tăng nhanh cả về số lượng và chất lượng

để đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng của công nghiệp và đời sống Vải tráng phủ không phân loại theo các ứng dụng mà theo các cách sau [56]:

- Phân loại theo nguyên liệu xơ: Cotton, PES, Polypropylene(PP)

- Theo phương pháp gia công: Phương pháp cán trục, phương pháp cán dùng dao gạt, phương pháp phun sương, phương pháp tráng phủ dùng lưới quay

- Theo hợp chất cao phân tử được dùng để tráng phủ: PU, AC, PVC

Kỹ thuật sản xuất và phạm vi sử dụng của các loại vải tráng phủ nhựa phụ thuộc vào: bản chất của vải nền, thành phần và độ dày (khối lượng) của lớp nhựa, thiết

bị được sử dụng để tráng phủ Ngoài ra, tùy theo thiết bị được trang bị, có thể sản xuất các mặt hàng: Vải phủ hai lớp, vải phủ ba lớp, vải phủ nhiều lớp

Các loại vải dệt thoi được sử dụng nhiều hơn cho công nghệ tráng phủ, đặc biệt

là tráng phủ trực tiếp Các loại vải khác như vải dệt kim, vải không dệt cũng được sử dụng để làm vải nền cho các mặt hàng vải tráng phủ nhờ có những công nghệ tráng phủ mới được áp dụng vào sản xuất như công nghệ tráng phủ chuyển tiếp, công nghệ tráng phủ xốp [66]

- Sử dụng trong xây dựng như làm lều trại, làm mái dùng vải sọc vằn một mặt hoặc hai mặt, dùng trong sản xuất xe hai bánh, vật liệu trang trí nội thất

- Sử dụng làm tấm che, vải che phủ côngtenơ, tấm lót nền khoang chở hàng xe tải

- Bạt phủ xe tải, màn cửa, mái chống cháy cho xe tải và toa trần tàu hỏa, màn cửa cho máy in phun mực công nghệ số

- Làm tấm biển quảng cáo, vật liệu nền, vật liệu mặt trước của biển quảng cáo, trang trí nội thất, biểu ngữ trọng lượng nhẹ, vật liệu nền giảm cháy

- Dùng trong giải trí, mái bể bơi ngoài trời, thảm trong thể dục thể thao, thuyền phao bơm hơi, vật liệu làm cầu trượt

- Dùng làm vật liệu trong công nghệ dập nổi

- Dùng làm hàng may mặc bảo vệ: quần áo trượt tuyết, áo bảo hộ lao động

- Độ bền màu ánh sáng: cấp 6- 8 (theo thang 8 cấp)

Ngoài ra, một số loại vải tráng phủ có tính chất đặc biệt phù hợp với điều kiện

sử dụng như: chống tia cực tím, chống cháy, chống vi khuẩn, chịu được giặt khô, có khả năng thẩm thấu hơi nước,

Các mặt hàng vải tráng phủ nhựa có chất lượng cao, mỏng và nhẹ, dùng để may quần áo đi mưa, làm lều trại; loại dầy hơn làm nhà bạt, thuyền phao, bè mảng, vải lót

ao hồ nuôi tôm cá, kể cả các loại vải dùng làm poncho và các đồ dùng cần thiết khác phục vụ cho các đơn vị đặc chủng trong quân đội hầu như còn phải nhập từ nhiều nước và từ nhiều nguồn trên thế giới Ngành Dệt nước ta hiện nay chưa đáp ứng được yêu cầu vải tráng phủ nhựa cho nhiều lĩnh vực sử dụng khác nhau

1.1.3- Công nghệ sản xuất vải tráng phủ:

Tráng phủ là công nghệ tạo một lớp nhựa liên tục phủ kín hết mặt vải nhằm tạo cho vải có các tính chất mới như: tăng khả năng chống thấm nước và chất lỏng nói chung, tăng khả năng chống nhiễm bẩn, tăng giá trị sử dụng và thẩm mỹ Màng nhựa tráng phủ thường có độ dày trong khoảng 25- 200 micronmét tùy theo mỗi mặt hàng [56]

1.1.3.1- Đặc điểm chung của công nghệ tráng phủ vải:

Vải tráng phủ nhựa có nhiều loại rất đa dạng, nhưng các bước và các thao tác thực hiện công nghệ này đều có đặc điểm chung [56], là:

- Vải nền phải có cùng các thông số kỹ thuật và được cuộn lại thành cuộn, khi đi vào máy tráng phủ, các cuộn vải sẽ được khâu đầu cuộn với nhau thành băng dài liên tục đảm bảo máy không bị dừng để thay cuộn

- Khổ rộng của vải trong một cuộn hay một lô hàng gồm nhiều cuộn phải không thay

đổi Mỗi lô vải có thể có khổ rộng riêng

- Máy tráng phủ gồm những bộ phận chính sau: Phần vào vải bảo đảm cho vải chạy với độ căng không đổi Đầu tráng phủ cấp nhựa tráng phủ đều đặn theo khối lượng lên mặt vải cả theo khổ rộng và theo chiều dài Khoang sấy và gia nhiệt để làm bốc hơi hết dung môi và gia nhiệt cho nhựa chảy thành màng mỏng Cơ cấu làm nguội vải và cuộn vải đã tráng phủ thành sản phẩm dạng cuộn

1.1.3.2- Phương pháp tráng phủ vải:

Tráng phủ trực tiếp hay quét gạt (spreading) nhựa lên vải là kỹ thuật tráng phủ thẳng, nhựa được gạt trực tiếp lên mặt vải nền [56] Phương pháp này thích hợp cho những loại vải có độ bền cao và ổn định kích thước Vải được lựa chọn để tráng phủ theo phương pháp này thường là loại vải tổng hợp có độ bền cơ học cao và được dệt chặt khít để tránh nhựa thấm quá sâu hoặc thấm cả sang mặt sau của vải

Phương pháp tráng phủ bằng công nghệ chuyển tiếp (transfer-coating) dùng cho những loại vải có độ bền thấp, dệt thưa, vải có độ giãn cao và vải kém ổn định kích thước Đặc điểm chung của phương pháp này là không tráng phủ thẳng nhựa lên vải nền mà thoạt tiên phải tráng nhựa lên giấy nền hay giấy nhả (release paper), sau

đó chuyển sang vải Bằng công nghệ này cũng có thể phủ một lớp hoặc nhiều lớp [56]

Trong thiết bị tráng phủ vải thì khâu có ý nghĩa quan trọng hơn cả là đầu tráng phủ, nó là yếu tố có tính chất quyết định đến phương pháp tráng phủ, loại vải, loại nhựa có thể sử dụng, chất lượng vải thành phẩm Những kiểu đầu tráng phủ phổ biến nhất [56], [121]: đầu tráng phủ dùng dao gạt (Doctor blade), tráng phủ bằng hệ

trục thuận (Direct roll), hệ trục ngược (Reverse roll), hệ trục lưới quay (Rotary - screen), đầu tráng phủ bằng trục cán, tráng phủ bằng màng xốp (Porous coatings)

1.1.3.3- Nhựa dùng để tráng phủ vải:

Để đạt được một sản phẩm có những tính chất mong muốn, ngoài việc vải nền phải có những tính chất tốt thì cần quan tâm đến một yếu tố quan trọng nữa đó là nhựa tráng phủ Nhựa tráng phủ có thể dùng ở dạng dung dịch, dạng phân tán trong nước, dạng nhão (pastes) hoặc nhựa 100% ở dạng rắn

Nhựa tráng phủ góp phần làm cho vải thành phẩm có những tính chất tốt hơn, thích ứng với môi trường ứng dụng hơn, ngoài ra nó còn bổ sung một số tính chất mà vải nền không có hoặc có tính chất đó nhưng hiệu quả lại không cao, như chống cháy, chống thấm, chống tia cực tím

10

Một số polyme thường dùng làm nhựa tráng phủ [56]: nhựa Polyurêtan (Polyurethan, PU); Polyvinyl clorua (Polyvinyl chloride, PVC); Acrylic (AC); cao su thiên nhiên (Polyisoprene); Neopren (Polychloroprene); nhựa cao su Silicon (Silicone rubbers, Polysiloxanes)

1.1.4- Lý thuyết và công nghệ xử lý chống thấm vải kiểu kỵ nước:

Công nghệ tráng phủ, cán tráng thường sử dụng cho vải kỹ thuật có yêu cầu cao về chống thấm Khi dùng với mục đích chống thấm mà vẫn thoáng khí, sử dụng vải ngâm tẩm chống thấm

1.1.4.1- Bản chất thấm nước và thấm chất lỏng của vải:

Chống thấm nước hay chống thấm chất lỏng là quá trình xử lý nhằm hạn chế sự thấm ướt của vải đến mức độ nhất định Vải đã qua xử lý sẽ có khả năng chống lại sự thấm ướt của nước hay các loại chất bẩn ở dạng lỏng vào cấu trúc vải Thấm ướt là một trong những hiện tượng hóa lý quan trọng nhất, thường gặp nhất trong xử lý và sử dụng hàng dệt [81], [89]

Trong giáo trình về nhiệt động học, Gibbs liên hệ ướt với sự giảm năng lượng

tự do Quá trình ướt xảy ra tự nhiên khi tổng năng lượng bề mặt giảm, kết quả của sự tiếp xúc giữa chất lỏng và chất rắn

F = AS γLV + AL γLV + ASL γLV = ΣAγ (1.1)Trong đó: A là diện tích bề mặt, γ là sức căng bề mặt, các chữ nhỏ S, L, V là chất rắn (Soil), chất lỏng (Liquid) và hơi (Vapor)

Các nghiên cứu khoa học về chống thấm nước và chất lỏng đã chỉ ra rằng độ

ướt phụ thuộc vào năng lượng bề mặt tự do của chất rắn và chất lỏng

Bảng 1.1: Sức căng bề mặt tới hạn γC của một số sợi dệt, vật liệu để xử lý hoàn tất vải và một số chất lỏng thường gặp khi tiếp xúc với hàng dệt [140] Stt Chất rắn γC (dyn/cm) Chất lỏng γC (dyn/cm)

10 Vải đã xử lý Floruacacbon 10 Dầu bôi trơn 28

Zisman và các đồng nghiệp sử dụng nguyên lý sức căng bề mặt tới hạn để liên

hệ giữa khả năng ướt với thành phần có năng lượng bề mặt thấp

Bảng 1.2: Sức căng bề mặt tới hạn của một số hợp chất hữu cơ

Hình 1.1: Sự phân bố của các lực lên giọt nước trên bề mặt vải

Giả sử giọt nước tạo với bề mặt chất rắn một góc θ Góc θ được gọi là góc tiếp xúc, thể hiện đặc tính tương tác giữa chất lỏng - chất rắn (hình 1.1) Góc θ chỉ tồn tại khi có sự cân bằng của ba lực γSV, γSL, γLV tại các đường biên rắn- lỏng- khí, tuân theo phương trình cân bằng Young:

γSV= γSL + γLV cosθ (1.2) Nếu không mong muốn bề mặt vải bị thấm ướt bởi nước, giá trị γSL của vải phải nhỏ hơn γLV của nước (khoảng 72,8 dyn/cm) Sức căng bề mặt γSL của các xơ polyme

12

tổng hợp có giá trị thấp hơn γLV của nước, do đó các loại xơ này không bị thấm ướt bởi nước Tuy nhiên, tính chất bề mặt kỵ nước vốn có của các loại xơ sợi tổng hợp trong nhiều trường hợp không đáp ứng được yêu cầu chống thấm của các loại vải kỹ thuật

và vải may quần áo chống thấm chất lượng cao, vì vậy chúng thường được đưa vào xử

lý hoàn tất để tăng độ chống thấm

1.1.4.2- Tác nhân chống thấm và công nghệ xử lý chống thấm kỵ nước cho vải:

Để xử lý chống thấm nước cho vải người ta dùng nhiều phương pháp khác nhau, nhiều phương pháp mới đã ra đời và thay thế dần các phương pháp cũ hiệu quả thấp, chất lượng chống thấm kém bền lâu Dưới đây là những phương pháp chính [141]:

- Tạo xà phòng kim loại trên mặt vải: là phương pháp cổ điển

- Biến tính các nhóm ưa nước của vải: là phương pháp chỉ thích hợp với vải bông

- Sử dụng chất chống thấm bằng hợp chất Silicon: là phương pháp được sử dụng gần đây, nhưng chất lượng chống thấm chưa cao

- Phương pháp sử dụng hợp chất Floruacacbon [5, 95]: Đây là phương pháp xử lý chống thấm được sử dụng rộng rãi hơn cả, có thể sử dụng cho tất cả các mặt hàng vải, khả năng chống thấm cao do sau xử lý sức căng bề mặt của vải có thể giảm xuống rất thấp (từ 6 - 10 dyn/cm) Trong bản luận án này, các mẫu vải xử lý chống thấm để nghiên cứu, đã dùng phương pháp sử dụng hợp chất floruacacbon

Chất chống thấm floruacacbon khác với chất chống thấm từ silicon hoặc chất chống thấm trên cơ sở tạo gốc hydrocacbon trên mặt vải ở một số mặt, trong đó quan trọng nhất là hợp chất floruacacbon kỵ cả nước và dầu, còn chất chống thấm từ silicon

và hydrocacbon chỉ kỵ nước Các hợp chất floruacacbon dùng để xử lý chống thấm ngày càng được hoàn thiện về cấu tạo hóa học và công nghệ ngâm tẩm để xử lý hoàn tất, được sử dụng chủ yếu hiện nay để sản xuất các mặt hàng vải chống thấm kỵ nước

Việc xử lý chống thấm bằng floruacacbon cao phân tử được thực hiện bằng cách ngấm ép, phun, hoặc bằng phương pháp tận trích Phần lớn vải sau khi ngấm ép

được sấy khô ở 1200C và xử lý 1 - 3 phút ở 1500C đến 1800C Do có chứa các chất phụ gia và nhựa trong thành phần dung dịch chống thấm nên sau khi xử lý vải cần được giặt và sấy khô

Các loại vải không thể xử lý hoàn tất chống thấm nước bằng dung dịch phân tán trong nước của floruacacbon cao phân tử thì có thể xử lý bằng cách phun

floruacacbon cao phân tử đã phân tán trong dung môi dễ bay hơi như tricloetylen hoặc tetracloetylen Sau khi phun, vải được chuyển trực tiếp từ khoang phun đến sấy khô ở

380C - 660C, tiếp theo vật liệu được xử lý 1 phút ở 1500C hoặc ở nhiệt độ thấp hơn nếu sợi vải không chịu được nhiệt độ 1500C Để thực hiện công nghệ này người ta đã chế tạo thiết bị cho quá trình ngấm ép, sấy - xử lý gia nhiệt của floruacacbon cao phân

tử từ một dung môi dễ bay hơi, dung môi này có thể thu hồi để tái sử dụng

Nhận xét: Tuy các mặt hàng vải xử lý chống thấm (ngâm tẩm, tráng phủ, cán tráng)

rất đa dạng và được sử dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống, nhưng việc nghiên cứu những biến dạng cơ học của loại vải này còn chưa đầy đủ, còn

ít tác giả quan tâm nghiên cứu

1.2- Khảo sát về biến dạng:

Hiện tượng vật liệu bị thay đổi hình dạng, kích thước ban đầu và cấu trúc do những tác động bên ngoài được gọi là hiện tượng biến dạng và quá trình gây ra hiện tượng biến dạng đó được gọi là quá trình biến dạng

Trong quá trình gia công và sử dụng, vật liệu dệt luôn phải chịu những tác

động của lực bên ngoài như kéo, nén, uốn, xoắn và những tác động tổng hợp đồng thời của những yếu tố này làm cho chúng thay đổi hình dạng so với hình dạng kích thước ban đầu hoặc đôi khi gây ra hiện tượng phá hủy vật liệu

Trong thực tế, để xác định các tính chất cơ học của vật liệu dệt và chế phẩm dệt tiến hành đo bằng thực nghiệm, tùy theo hình thái biến dạng của vật liệu khi chịu lực tác dụng mà thực hiện phương pháp đo thích hợp

So với vải may mặc thông dụng, vải kỹ thuật có nhiều tính chất đặc thù hơn do

điều kiện sử dụng phức tạp và khắc nghiệt Vải kỹ thuật có những tiêu chuẩn riêng biệt phù hợp với điều kiện sử dụng Một số tính chất của sợi, vải kỹ thuật có thể được

đo trên thiết bị kiểm nghiệm thông dụng, một số được đo trên thiết bị kiểm nghiệm chuyên dùng

Hiện nay ở Việt nam chưa có một hệ thống đầy đủ các thiết bị nghiên cứu vải

kỹ thuật Để đánh giá sức chịu đựng, tính bền lâu của vật liệu dệt, đặc biệt là vải kỹ thuật, cần thiết phải nghiên cứu hiện tượng biến dạng của vải khi chịu tác động tải trọng tĩnh và tải trọng động có yếu tố thời gian Hơn nữa, nghiên cứu biến dạng của

14

vải theo thời gian, dưới tải trọng không đổi còn dự báo được tuổi thọ của vật liệu Do

đặc điểm sử dụng, để có sự đánh giá chất lượng vải kỹ thuật, cần nghiên cứu và đo lường một số đặc trưng cơ học của vải tùy theo kiểu biến dạng:

- Biến dạng kéo - giãn

- Biến dạng xé

- Biến dạng rão và lơi

Các đặc trưng này quan trọng đối với vải kỹ thuật - loại vải được sử dụng trong

điều kiện khác so với vải thông dụng

1.2.1- Biến dạng của vật liệu Polyme:

Các loại vải đều là vật liệu cao phân tử hay còn gọi là vật liệu polyme, các loại nhựa dùng để tráng phủ và ngâm tẩm cũng đều là vật liệu polyme, chúng có những

đặc trưng cơ học và biến dạng của polyme Dưới đây là khái quát về đặc trưng biến dạng của vật liệu polyme

Đại phân tử của các hợp chất cao phân tử có thể có cấu tạo mạch thẳng, mạch nhánh hoặc mắt lưới [21] Cao phân tử thường là những vật rắn, nghĩa là chúng có khả năng giữ nguyên kích thước và hình dạng của mình nếu không chịu tác động từ bên ngoài

Tuy ở thể rắn nhưng vì thiếu mạng lưới tinh thể nên đa số các hợp chất cao phân tử có cấu trúc vô định hình, một số có cấu trúc vi tinh thể hoặc kết hợp cả hai dạng vi tinh thể và vô định hình song song tồn tại Cao phân tử thường không ở trạng thái tinh thể hoàn toàn mà cấu trúc của chúng gồm những phần kết tinh xen kẽ

Đặc điểm cấu trúc của polyme là một trong những nguyên nhân quan trọng quyết định đến tính chất lý học và cơ học đặc trưng của polyme Đó chính là hiện tượng hồi phục của polyme và đặc điểm biến dạng của polyme

Hiện tượng hồi phục biến dạng của polyme [13]:

Nếu như một hệ thống polyme đầu tiên ở trạng thái cân bằng, khi ta tác dụng lên hệ thống một ngoại lực nào đấy, thì các phân tử trong hệ thống có sự thay đổi hay mất cân bằng ban đầu nhưng không bị biến dạng tức thời, nghĩa là các phân tử sẽ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác; nếu sự chuyển đổi này diễn ra thật nhanh thì hệ thống luôn luôn ở trạng thái cân bằng, khi đó các phân tử trong hệ có sự

sắp xếp lại trật tự để đạt được một ổn định mới, một cân bằng bền, cân bằng này khác với cân bằng trước Hiện tượng chuyển đến cân bằng mới gọi là hiện tượng hồi phục

ở điều kiện nhiệt độ không đổi, khi tác dụng lên mẫu polyme một lực không

đổi, giá trị của lực này nhỏ hơn nhiều so với lực kéo đứt, và khi đó nếu quá trình chảy không xảy ra thì dưới ảnh hưởng của ngoại lực mẫu polyme sẽ dần dần giãn ra đạt đến một chiều dài xác định, chiều dài này không đổi theo thời gian Đại lượng biến dạng tương đối không thay đổi theo thời gian gọi là biến dạng cân bằng mềm cao

Mỗi một giá trị ngoại lực tương ứng với một đại lượng biến dạng cân bằng xác

định Quá trình hồi phục xảy ra khi mẫu polyme chưa đạt được biến dạng mềm cao gọi là hồi phục biến dạng, quá trình này còn gọi là quá trình rão Hồi phục biến dạng còn xảy ra sau khi ngừng tác dụng ngoại lực, tức là khi mẫu polyme trở về hình dạng ban đầu, quá trình này còn gọi là quá trình hồi phục rão

Nếu kéo giãn thật nhanh một mẫu polyme dưới tải trọng và giữ nó ở trạng thái biến dạng trong một thời gian, mẫu sẽ bị biến dạng một đại lượng Nếu giữ tải trọng không đổi và thời gian tăng thì biến dạng sẽ tăng Muốn biến dạng không đổi thì tải trọng phải giảm dần theo thời gian Hiện tượng giảm tải trọng để đạt được cân bằng

được gọi là hồi phục tải trọng, hay còn gọi hiện tượng này là hiện tượng lơi thuận

Khi cùng một tải trọng như nhau thì đại lượng biến dạng phát triển khi giảm tải trọng luôn luôn nhỏ hơn khi tăng tải trọng Hiện tượng không trùng nhau của đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa độ biến dạng và tải trọng tạo ra một vòng được giới hạn bởi đường cong khi có tải và khi bỏ tải, vòng này gọi là vòng trễ và hiện tượng trên gọi là hiện tượng trễ

Sau khi bỏ tải hoàn toàn mẫu không trở về chiều dài ban đầu, như thế trong mẫu còn lại một đại lượng biến dạng dư nào đấy (εd)

Các loại biến dạng của polyme [13], [21]:

Một trong những đặc điểm quan trọng của cao phân tử là các tính chất cơ học, những tính chất này quyết định phạm vi sử dụng của chúng Cũng như các lĩnh vực khác, tính chất cơ học của cao phân tử được xác định bằng trị số và đặc điểm biến dạng dưới tác dụng của tải trọng Hợp chất cao phân tử có ba loại biến dạng: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến dạng mềm cao

16

Quan hệ giữa biến dạng đàn hồi và ứng suất được biểu diễn bởi định luật Hook:

E l

ε = ∆ =

Trong đó: ∆l - Độ giãn dài khi kéo hay độ giãn tuyệt đối (mm)

l - Chiều dài ban đầu của mẫu (mm) σ - ứng suất (N/cm2)

ε - Độ giãn dài tương đối (%) E - Mô đun đàn hồi Biến dạng dẻo là biến dạng còn lại ở vật liệu sau khi lấy tải trọng đi, còn gọi là biến dạng không thuận nghịch, đôi khi gọi là sự chảy nguội của cao phân tử

Trong biến dạng dẻo thường chú ý đến hệ số Poisson:

ε

ϕ

à =

Trong đó: ϕ - Biến dạng tương đối theo chiều ngang (%)

ε - Biến dạng tương đối theo chiều dọc (%)

à - Hệ số Poisson (à = 0 ữ 0,5) Biến dạng mềm cao là biến dạng hoàn toàn thuận nghịch nhưng có đặc điểm là mô đun đàn hồi nhỏ, đại lượng biến dạng đến khi đứt lớn

Đối với các hợp chất cao phân tử thì biến dạng dẻo và biến dạng mềm cao là hai biến dạng thường gặp Tùy theo điều kiện và trạng thái chịu tải trọng mà chúng sẽ biến dạng theo kiểu nào là chính

Mỗi đại phân tử cấu tạo từ những đoạn mạch Mỗi đoạn mạch được coi như một vật thể đơn giản có các tính chất mềm cao, đàn hồi và tác dụng tương hỗ với môi trường nhớt xung quanh Cho nên mỗi đoạn mạch gồm 3 phần : đàn hồi, mềm cao và nhớt Phần đàn hồi được biểu thị bởi lò xo, phần nhớt được biểu thị bằng viên bi trong chất lỏng nhớt Còn phần mềm cao tương ứng với lò xo và viên bi trong chất lỏng nhớt, mắc song song với nhau, bởi vì tính mềm cao phát triển từ từ (kìm hãm do sự tác dụng tương hỗ của các nguyên tử khi chuyển đại phân tử từ hình thái sắp xếp này sang một hình thái sắp xếp khác)

1.2.2- Đặc trưng biến dạng kéo - giãn:

Một trong những đặc trưng cơ học được nhiều nhà vật liệu học đề cập đến là biến dạng kéo - giãn của vật liệu dưới tác dụng của lực kéo đứt Trước hết xem xét mô hình biến dạng hai chiều của vải vân điểm theo S Kawabata [114]

1.2.2.1- Mô hình tác động của lực lên vải theo chiều dọc vải:

Tính chất cơ học của vải nói chung là phi tuyến Các đường cong lực - độ giãn thông thường không phải đường thẳng Nguyên nhân do cấu trúc của vải và do sợi dọc, sợi ngang biến dạng không tuyến tính

Nghiên cứu đối với vải kỹ thuật có kiểu dệt vân điểm - là cấu trúc phổ biến của vải kỹ thuật thông dụng hiện nay

Mô hình cấu trúc của vải vân điểm [114]:

Lấy một đơn vị cấu trúc như trên hình 1.2 Đường PQ là đường trung tính theo chiều dọc RS là đường trung tính theo chiều ngang Giao điểm của PQ và RS là OU

Chọn hệ tọa độ vuông góc có điểm gốc OU, trục X1 dọc theo đường trung tính của hướng sợi dọc và trục X2 theo hướng sợi ngang Các trục sợi dọc và sợi ngang

được giả định thẳng và bị uốn ở các điểm P1 và P2 trên trục X3

Hình 1.2: Đơn vị cấu trúc của vải vân điểm

Cấu trúc vải được dẫn ra gần đúng từ các thông số:

n - Mật độ sợi ở trạng thái chưa bị biến dạng (số sợi/cm)

S - Độ uốn của sợi tạo ra bởi quá trình dệt, được xác định bằng tỷ số:

S1 =

01

01 01

18

Trong đó: y - Khoảng cách giữa các sợi

l - Độ dài sợi trong đơn vị cấu trúc

θ- Góc giữa trục sợi và trục X3 trong mô hình cấu trúc

hm- Khoảng cách giữa đường trung tính và trục sợi dọc theo trục X3 ở trạng thái không bị biến dạng; nó cũng bằng giá trị lớn nhất của h h- Độ lệch điểm giao nhau của trục sợi với trục X3

Chỉ số 1 cho biết hướng sợi dọc, chỉ số 2 cho biết hướng sợi ngang, chỉ số 0 cho biết giá trị trước khi biến dạng

Độ lệch do hệ số duỗi λ1 và λ2 của vải h1 là sự chuyển dịch của điểm P1 và

h2 là sự chuyển dịch của P2 (hình 1.3)

Từ mô hình đơn vị cấu trúc, xây dựng mô hình cơ học (hình 1.4) Trên hình này, tính chất lực của sợi dọc được thay thế bằng khối A1 và sợi ngang bằng khối A2

Hình 1.3: Đơn vị cấu trúc Hình 1.4: Mô hình cơ học của đơn vị

ở trạng thái biến dạng cấu trúc vải thể hiện lực và biến dạng

Các khối B1 và B2 tượng trưng cho tính chất nén của sợi dọc và sợi ngang được hiểu là lực ép dọc và ngang Biến dạng nén này là do lực tác động lên bề mặt tiếp xúc giữa sợi dọc và sợi ngang Những đặc tính cơ học thể hiện bằng các khối A1 và A2hoặc B1 và B2 là phi tuyến

λ- Hệ số duỗi của vải dọc theo các trục ( λ = độ dài của sợi ở trạng thái duỗi)

FT - Lực căng của sợi

FC- Lực nén của sợi tác động dọc trục X3 tạo điểm tiếp xúc giữa sợi ngang và sợi dọc

F - Lực căng trên vải dọc theo trục (lực được chuyển về lực tính trên sợi đơn)

1.2.2.2- Tính toán lý thuyết độ bền vải:

Khi tính toán đặc trưng độ bền kéo của vải, căn cứ vào cấu trúc hình học của vải, có tính đến sự không đồng đều của ứng suất trong sợi khi băng vải bị kéo căng

Độ bền băng vải được xác định là tổng số độ bền các sợi theo hướng dọc hoặc theo hướng ngang và độ bền do ma sát giữa các sợi tiếp xúc với nhau, ép lên nhau

Độ bền một sợi dọc tính theo công thức:

Pd = ( P1 + f1 ) ηCosβ1 (1.3) Trong đó: P1- Độ bền kéo đứt của sợi dọc

f1- Lực do ma sát gây ra tác động lên sợi dọc hoặc sợi ngang và do sự giảm chiều dài trượt của xơ gây ra

η- Hệ số tính đến sự không đồng đều của lực tác dụng bên trong sợi

1

β - Góc nghiêng của sợi dọc so với đường trục tác động của lực kéo Lực ma sát xuất hiện giữa các hệ sợi khi kéo đứt băng vải theo chiều dọc có công thức:

b Sin P

Trong đó: à- Hệ số ma sát giữa các sợi

b - Đại lượng tỷ lệ với sự uốn của sợi dọc

P1Sinβ1- Lực pháp tuyến ép lên sợi dọc

b = k

1 2

2 1

Ed n

được:

1 2

1 1 2 1 1

)(

T n

Sin P n n k

Thay các đại lượng đã biết vào công thức (1.3):

1 1

2

1 1 2 1

T n

Sin P n n k P

P d = + +

(1.7)

1 2

1 1

T n

Sin n n k

Trong đó: k1- Hệ số tỷ lệ được xác định bằng thực nghiệm, đối với vải có

sợi chi số trung bình, k1 = 1,58 Góc β xác định theo cấu trúc hình học của vải được kéo giãn, có tính đến độ 1

co a1(%) của sợi dọc trên vải

E

T Sin P n n k

f 1 2 2 2 C

2

β à

2 1 2

Công thức tính độ bền kéo đứt của vải theo chiều dọc:

1 1 1

P - Độ bền kéo đứt sợi dọc và sợi ngang (N)

Khi kéo đứt băng vải, bắt đầu xảy ra sự duỗi thẳng của sợi đã bị uốn cong khi dệt trên vải và tiếp theo là sự giãn của sợi đến đứt Từ đó, độ giãn của vải khi kéo đứt gồm hai thành phần:

K

ε λ

Trong đó: ε - Độ giãn của vải (%)

λ- Mức độ giảm độ co của sợi (%)

K

ε - Độ giãn đứt của nhóm sợi (%)

Công thức thực nghiệm xác định sự phụ thuộc của tổng các độ giãn dọc và độ giãn ngang vào các thông số cấu trúc và độ giãn đứt của sợi:

)(

10.2,

2 1 1

3 2

K n n T

ε - Độ giãn đứt của sợi dọc bên ngoài vải (%)

, 2

ε - Độ giãn đứt của sợi ngang bên ngoài vải (%)

K - Hệ số tổn thất độ giãn sợi

c

T - Lực ma sát giữa các sợi trong vải

Dựa vào các số liệu thực nghiệm để lập công thức thực nghiệm tính tỷ số độ giãn sợi dọc và độ giãn sợi ngang trong vải:

3

2 1

2 1 2

2

1 0,19.10

n n

ε1 = x−ε2

Hình 1.5: Sơ đồ biến dạng băng vải khi xé đứt

Khi xé dọc băng vải, độ bền kéo đứt của sợi ngang có vai trò quan trọng và việc dồn ép sợi dọc về hai bên đường xé tạo ra lực ma sát lớn hơn giữa sợi dọc và sợi ngang

Quá trình xé băng vải đặc trưng bằng đồ thị có dáng điệu khác với dáng điệu của đồ thị kéo đứt băng vải (hình 1.6)

Hình 1.6: Đồ thị xé rách băng vải

Đoạn đường cong đi lên ban đầu cho thấy sự gia tăng từ từ của tải trọng kéo băng vải và sự giãn của rẻo vải cho đến khi đứt sợi ngang, sau đó là sự dao động của lực này Mỗi đỉnh trên đường đồ thị tương ứng với thời điểm đứt sợi ngang Đường giới hạn tải trọng dưới QH tương ứng thời điểm bắt đầu có sự dạt sợi dọc sang hai bên (thời điểm hình thành tam giác biến dạng), sau đó tải trọng tăng ∆Q làm biến dạng các sợi ngang đến khi các sợi ngang đứt

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng xé của vải: Độ bền của hệ sợi dọc và

hệ sợi ngang, cấu trúc vải, mật độ sợi dọc và sợi ngang, phương pháp hoàn tất vải…

Cấu trúc vải ảnh hưởng đến sự liên kết các sợi, làm tăng hoặc giảm sự linh hoạt của các sợi đan với nhau, do đó tăng hoặc giảm lực cản chống xé của vải

Hoàn tất vải làm tăng độ cứng, giảm khả năng trượt của các sợi, do đó giảm sự cản chống xé của vải

Những sợi ngang nằm trong vùng tam giác biến dạng cũng tiếp nhận lực xé, do

đó làm tăng độ bền xé của vải (tỷ lệ với số sợi trong vùng này)

Mức độ liên kết các sợi trong vải ảnh hưởng đến mức độ tập trung ứng suất tại

vị trí xé

Giả thiết tam giác biến dạng có hai cạnh theo đường cong dạng hypecbol (hình 1.7)

24

Hình 1.7: Hình dạng tam giác biến dạng (a)

và tính chất của ứng suất sợi khi xé vải (b)

Xem xét phần trên của tam giác biến dạng Lấy điểm O có tọa độ K và m (hình 1.7 a) OZ song song với đường tượng trưng biến dạng (hình 1.7 b)

Phương trình của đường hypecbol: K

m x

2

2

(1.20)

A - Khoảng cách từ điểm O đến đường cong

Trên hình (1.7 a) cho thấy khoảng cách giữa các sợi ngang trong tam giác biến dạng giảm dần cho đến đỉnh Khi kéo xé băng vải, sợi đầu tiên nhận tải trọng bằng tải trọng kéo đứt sợi ứng suất của các sợi kế tiếp giảm dần và bằng 0 tại đỉnh

Có thể giả định sợi biến dạng theo định luật Hooke: P = E.ε

và tổng ứng suất của tất cả các sợi ngang trong tam giác biến dạng được tính là lực cản xé của vải

Công thức tính gần đúng độ bền xé của vải:

Q = P + 0,5 ( n - 1) P (1.21) Trong đó: n - Số sợi nằm trong tam giác biến dạng

P - Độ bền sợi đơn

Tính gần đúng độ bền xé của vải: Q = 5,5 P = 5,5 Eε

Với n = 10 Q = 5,57 P

Nhận xét: Các đặc trưng cơ học kéo - giãn, xé … chưa đánh giá hết tính năng của vải

kỹ thuật Trong thực tế khai thác, sử dụng vải kỹ thuật chống thấm, việc đánh giá độ bền lâu dưới tác động của tải trọng không đổi theo thời gian có ý nghĩa quan trọng

1.2.4- Đặc trưng rão và lơi:

Để nghiên cứu sự thay đổi của ứng lực, biến dạng, tốc độ biến dạng theo thời gian đối với vật liệu dệt, thường tiến hành nghiên cứu hiện tượng lơi và hiện tượng rão của xơ, sợi, vải

Sau đây là một số công trình nghiên cứu về hiện tượng lơi của xơ, sợi

ứng suất lơi của sợi khi độ giãn ε = const được biểu diễn bằng phương trình giải tích sau (hình 1.8b) [142]:

).exp(

)

1 0

a

t a

−

−+

Trong đó: σ - ứng suất trong tiết diện ngang của sợi ở thời điểm bất kỳ t

của quá trình lơi

26

0

σ - ứng suất ban đầu, tương ứng với biến dạng ε = const ở thời

điểm t ≈ 0 của quá trình lơi

Khi nghiên cứu xơ tổng hợp, cụ thể là xơ polyester với giả thiết nó là chất nhớt

đàn hồi, hai nhà khoa học R P Nachance và V Sundarm [107], [108] đã nghiên cứu

và đưa ra được một số phương trình lưu biến mô tả hiện tượng lơi và lơi ngược:

σ (t) = ε G(t) (1.23) Trong đó: ε là biến dạng của vật đàn hồi nhớt dưới tác dụng của lực

G(t) là mô đun lực của vật liệu nhớt đàn hồi tại thời điểm (t)

σ (t) là ứng lực tác dụng lên vật liệu nhớt đàn hồi tại thời điểm (t) Phương trình mô tả mối liên hệ giữa mô đun lực theo thời gian trong giai đoạn

đang kéo giãn với tốc độ biến dạng không đổi:

ττ

t G t

=

0

exp1)(

1)

τϕ

d t t t

t t G t

1)(1)

Trong đó: t1 là thời gian xơ bắt đầu bị giữ ở độ giãn không đổi

Phương trình mô tả mối liên hệ giữa mô đun lực theo thời gian khi đang cho xơ phục hồi độ giãn với tốc độ biến dạng không đổi α:

ττ

τ

τϕ

d t

t t t

t t G t

)(exp2)2(

)(1)

Phương trình mô tả mối liên hệ giữa mô đun lực theo thời gian khi giữ nguyên xơ ở độ giãn không đổi và khi xơ đang trong quá trình phục hồi biến dạng với tốc độ biến dạng không đổi α:

ττ

τ

τϕ

d t t k t

t t t

t t G

=

0

2 2

1 2

1

)(exp1exp

)(exp2)2(

)(1)

Khi nghiên cứu hiện tượng lơi và lơi ngược của sợi OE cotton/polyester 20 tex [84], [86] bằng thực nghiệm L.Vangheluwe [84] đã chứng minh rằng lực (ứng lực) của sợi sau quá trình đặt tải trọng động phụ thuộc vào số chu trình đặt tải trọng và mức độ tải trọng Hoàn tất một số chu trình đã xác định trước, độ giãn sợi được giữ không đổi và ghi lại sự thay đổi lực theo thời gian Phụ thuộc vào lực (mà ở mức lực

đó hiện tượng lơi bắt đầu được đo) có thể thấy ba loại đường cong lơi:

(a) lơi thông thường - lực giảm theo thời gian ở độ giãn không đổi, (b) lơi ngược - lực tăng theo thời gian ở độ giãn không đổi,

(c) lơi hỗn hợp - đầu tiên lực tăng, sau một thời gian lực giảm xuống

Sử dụng phương pháp kiểm tra này có thể khảo sát ảnh hưởng của các thông số kiểm tra cũng như của các thông số sợi

Hình 1.9: Thí nghiệm lơi thông thường [84]

Tác giả L.Vangheluwe làm rõ ảnh hưởng của số chu kỳ đặt tải đến trạng thái diễn biến của lơi Một sợi cotton/polyester (sợi OE xơ ngắn chi số 20 tex) được đặt tải trọng động trong khoảng 2,5 đến 5 cN/tex, số chu kỳ đặt tải thay đổi từ 0 đến 500 chu

kỳ Tiếp theo việc đặt tải trọng động này là hai thí nghiệm kiểm tra lơi như sau: Đo biến dạng lơi bắt đầu từ mức lực trên của việc đặt tải trọng động và đo biến dạng lơi bắt đầu từ mức lực đặt tải trọng động dưới

Đối với thí nghiệm biến dạng lơi bắt đầu với mức tải trọng thấp, đã có được lơi ngược sau một số chu kỳ đặt tải Số chu kỳ đặt tải nhỏ đã tạo ra lơi hỗn hợp

Tác giả đã đề cập độ giãn của sợi trong quá trình đặt tải trọng động do đặc tính nhớt đàn hồi của chúng Điều này có nghĩa rằng độ giãn mà tại thời điểm đó hiện tượng lơi xảy ra, sẽ tăng theo số chu kỳ đặt tải sử dụng trước đó

28

Các đường cong lơi (hình 1.10) được biểu diễn như lực còn lại trong sợi, nghĩa

là phần trăm còn lại của lực mà tại đó việc đo lơi bắt đầu

Đường cong lơi trung bình đã được tính toán qua 25 thí nghiệm

Hình 1.10: ảnh hưởng của mức đặt tải trọng động tới đường cong biến dạng lơi [84]

a) Thí nghiệm lơi từ mức lực trên của tải trọng động

b) Thí nghiệm lơi từ mức lực dưới của tải trọng động

Để mô tả quá trình lơi của sợi, L.Vangheluwe và P.KieKens [86] đã đưa ra mô hình lý thuyết bao gồm một lò xo phi tuyến mắc song song với một số phần tử, từ đó tìm ra phương trình lý thuyết tính lực của sợi trong quá trình tải động và trong quá trình lơi (hình 1.11)

Hình 1.11: Mô hình Maxwell phi tuyến mở rộng [86]

Các công thức (1.28) mô tả mối quan hệ giữa lực F (cN), độ giãn (ε) và thời gian (t) của mô hình phi tuyến mở rộng này

Eb

Fn1 = Ebεn12

i

i i i

dt

dF E dt

F F

1

1 Trong đó: Fn1 và εn1: Lực (cN) và độ giãn (%) của lò xo phi tuyến

Eb: Hằng số đàn hồi của lò xo phi tuyến;

Fi và εi: Lực (cN) và độ giãn của phần tử Maxwell thứ i;

Ei: Hằng số lò xo (cN) của lò xo trong phần tử Maxwell thứ i;

ηi: Độ nhớt ( cN.s) của phần tử Maxwell thứ i

Giả sử rằng, quá trình lơi bắt đầu ở thời điểm t* thì quá trình lơi sau khi đặt tải

động với tổng tải trọng được xác định bởi phương trình:

j = 1 khi bỏ tải khỏi sợi

Các tác giả Rita Pociene, Arvydas Vitkauskas [105] đã nghiên cứu hiện tượng lơi của sợi và sự hồi phục độ nhớt đàn hồi diễn ra trong sợi Polyester filament phức và sợi Acetate phụ thuộc vào tiền sử cơ học của chúng, đã chứng minh sự hồi phục độ nhớt đàn hồi là một quá trình chậm hơn quá trình lơi ứng suất ngược

Thời gian mà trong đó sợi chịu một độ giãn không đổi hoặc chịu tải trọng không đổi là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất tới độ lớn cũng như đặc tính của lơi ngược

và sự hồi phục nhớt đàn hồi trong sợi

ở độ giãn như nhau, các sợi ở cuối chu kỳ đặt tải có quá trình lơi ngược và quá trình hồi phục nhớt đàn hồi diễn ra giống nhau - không tính đến đặc tính của chu trình thí nghiệm

Nhận xét: Để nghiên cứu hiện tượng lơi của xơ, sợi có một số công trình nghiên cứu,

đã đưa ra một số phương trình hay mô hình lơi, nhưng hiện tượng này chưa được nghiên cứu đối với vải Trên thực tế rất khó thực nghiệm quan sát hiện tượng lơi của vải

30

1.2.4.2 Hiện tượng rão:

Nếu như một đầu xơ, sợi, vải được kẹp cố định, đầu kia treo tải trọng không đổi (hình 1.12a), thì trong xơ, sợi, vải xẩy ra biến dạng rão của quá trình kéo giãn khi ứng suất σ không đổi

Hình 1.12: Diễn biến quá trình rão [142]

Nói cách khác, khi vật liệu dệt chịu tác động của tải trọng không đổi (ứng lực không đổi), vật liệu dệt biến dạng (giãn) theo thời gian Quá trình biến dạng là hiện tượng Rão của vật liệu dệt [109], [119], [136] Biến dạng tăng dần theo thời gian là rão thuận, biến dạng giảm dần theo thời gian là rão ngược

Hiện tượng rão và rão ngược của sợi filament đơn Nylon 6, sợi phức Polyester, sợi Len và sợi Cotton xơ ngắn đã được một vài công trình nghiên cứu Các tác giả đã quan sát thấy rằng sự thay đổi rão và rão ngược là khác nhau từ vật liệu này sang vật liệu khác và phụ thuộc vào ứng suất ban đầu [109] Tuy nhiên hiện tượng này còn ít

được đề cập đối với vải

Biến dạng tương đối ε phụ thuộc thời gian, có kể đến quá trình rão của sợi trong trường hợp ứng suất không đổi (σ =σ0= const) được biểu diễn trên hình 1.12b [142]:

Với giai đoạn đặt tải: ( ) exp( 4 )

3 0

a I

d

Trong đó: ε- Biến dạng của sợi ở thời điểm bất kỳ t của quá trình biến dạng rão

d

ε - Thành phần biến dạng dẻo tương đối, phát sinh trong thời điểm giảm tải trọng (σ = 0)

6 5 4

3,a ,a ,a

a - Các hằng số thực nghiệm

Tất cả vật liệu dệt đều được sản xuất từ hợp chất cao phân tử thiên nhiên hoặc tổng hợp Chúng có độ nhớt đàn hồi tự nhiên, cho thấy hiện tượng rão và rão ngược có liên quan đến thành phần hợp chất cao phân tử [105], [109]

Đã có nhiều công trình nghiên cứu hiện tượng rão thuận của vật liệu dệt, nhưng rất ít công trình nghiên cứu về hiện tượng rão ngược

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta biết rằng vật liệu dệt bị áp đặt ứng suất

và bị kéo giãn với các mức khác nhau Ví dụ, một sợi ngang được đưa qua miệng vải với ứng suất thay đổi trong quá trình dệt ở ứng suất cao khi nó được đặt vào đường dệt, ứng suất sẽ giảm khi thoi rời đi để đặt sợi ngang tiếp theo vào vải Nhưng ứng suất có thể không giảm xuống tới 0, do vậy đã tạo ra hiện tượng rão ngược Sự thay

đổi tác động của rão ngược đối với các mức ứng suất cao hơn hoặc thấp hơn trong sợi

có thể dẫn đến làm hỏng vải Do đó việc tìm hiểu nghiên cứu sâu về hiện tượng rão ngược là rất cần thiết Bằng thực nghiệm R.P.Nanchace và G.F.S Hussain [109] đã chứng tỏ rằng giá trị rão ngược phụ thuộc vào vật liệu, ngoài ra còn phụ thuộc vào lịch

sử ứng suất của nó, phụ thuộc vào ứng suất ban đầu khi thí nghiệm rão ngược Đối với sợi đơn filament nylon 6, sợi phức filament polyester, sợi len và sợi cotton xơ ngắn các nhà khoa học trên nhận xét: Sợi cotton rão ngược là nhỏ nhất, sợi nylon rão ngược lớn nhất, sợi len và polyester có giá trị rão ngược trung bình

t p p e

e

d

g D

g D g

D

0

) ( 0

0 0

0

)()

τ

σ σ

σ

∂

∂+

D0 - Thông số phụ thuộc biến dạng dẻo tức thời

D( ϕ − ϕ ′ )- Thông số phụ thuộc biến dạng đàn hồi nhớt

g0e, g0 , g, và aσ là những thông số phụ thuộc vào ứng suất

Khi ứng suất σ đủ nhỏ thì g0e= g0 = g = aσ = 1

Bốn số hạng trong vế bên phải của phương trình (1.32) tương ứng với: biến dạng đàn hồi tức thời, biến dạng dẻo tức thời, biến dạng đàn hồi nhớt và biến dạng dẻo nhớt

Đối với nhiều loại vật liệu dệt : ε (ϕ) = cϕn (1.33) Trong đó : c và n độc lập với giá trị của ứng suất và thời gian

Trong quá trình biến dạng rão, biến dạng tức thời tại thời điểm đặt tải liên quan

đến biến dạng đàn hồi tức thời và biến dạng dẻo tức thời:

g D g

) 0

Biến dạng tức thời tại thời điểm giảm tải phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi:

σ ε

Trong đó tr là thời gian lúc giảm tải

Biến dạng rão trong suốt quá trình có tải trọng là tổng hợp của các biến dạng: biến dạng đàn hồi tức thời, biến dạng dẻo tức thời, biến dạng đàn hồi nhớt và biến dạng dẻo nhớt và được thể hiện như sau:

) 0 ( +++

ε

σ

vp n

n c

ε ε

Trong đó:

r

r t

t

t−

=λ

Tác giả Shi-Zong Cui và Shan- Yan Wang [119] bằng thực nghiệm đã nghiên cứu hiện tượng rão của vải không dệt và vải dệt thoi Kích thước của mỗi mẫu 20 cm x

5 cm, tải trọng ban đầu 12,4 N Các mức tải trọng nghiên cứu rão lần lượt là 120 N,

240 N và 400 N Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện tiêu chuẩn

Sử dụng giá trị các thông số D0e, D0 , c, n, aσ và phương trình hồi quy của các hàm thông số g0e, g0 , g và εvp, Shi-Zong Cui và Shan- Yan Wang vẽ được đồ thị

đường cong thí nghiệm và tính toán rão thuận, rão ngược của vải không dệt Polyester

được minh họa trong hình 1.14: