CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.2. Tính chất lưu biến của vải
1.2.3. Hiện tƣợng rão - lơi của vải
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.
Lơi ứng suất (Stress relaxation) là khi biến dạng không đổi được đặt vào mẫu đàn hồi, lực cần thiết để duy trì biến dạng đó không phải là hằng số mà giảm theo thời gian. [13].
1.2.3.1. Hiện tượng lơi của vải
Nếu các đầu xơ, sợi, vải đã được kéo giãn trước, được kẹp cố định trong trạng thái không đổi (hình 1.16a), thì trong xơ, sợi, vải sẽ diễn ra quá trình lơi.
Hiện tượng lơi là sự giảm dần ứng suất (hoặc ứng lực) của vật liệu dệt khi biến dạng được giữ không đổi. [5]
Const
0 0
0
0
t
a) b)
Hình 1.16. Quá trình lơi
Hiện tượng giảm ứng suất của một vật khi giữ nguyên độ giãn gọi là hiện tượng lơi hay lơi thuận, hiện tượng này xảy ra phổ biến với các vật liệu và đã được
nghiên cứu nhiều. Khi nghiên cứu vật liệu polymer tổng hợp người ta còn phát hiện thấy hiện tượng tăng ứng suất của một vật nếu đột ngột giữ nguyên độ giãn của vật đó lúc đang kéo giãn, hiện tượng đó được gọi là hiện tượng lơi ngược. Sau đó nếu ứng suất của vật lại tiếp tục giảm thì người ta gọi đó là hiện tượng lơi hỗn hợp [5].
Sau đây là một số công trình nghiên cứu về hiện tượng lơi của xơ, sợi và vải:
Ứng suất lơi của sợi khi độ giãn = const được biểu diễn bằng phương trình giải tích sau (hình 1.16b) [5]:
= + ( - ) exp(- . ) (1.5) = . , = .
Trong đó: - Ứng suất trong tiết diện ngang của sợi ở thời điểm bất kỳ t của quá trình lơi.
- Ứng suất ban đầu, tương ứng với biến dạng = const ở thời điểm t 0 của quá trình lơi.
- Ứng suất phát sinh trong tiết diện ngang của sợi trong thời gian t → khi = = const.
a1, a2 - Các hằng số thực nghiệm.
Các tác giả Virginijus Urbelis, Antanas Petrauskas và Ada Gulbinienė [24] đã đưa ra được các kết quả thí nghiệm lơi ứng suất của các loại vải may mặc và hệ hai lớp vải (vải dệt thoi hoặc vải dệt kim mặc ngoài và vải lót). Các mẫu thí nghiệm khá khác nhau về tính chất vật lý, mật độ diện tích(PnxPd) , kiểu dệt, …
Trong nghiên cứu có năm mẫu vải có cấu trúc và tính chất vật lý khác nhau:
Ba mẫu vải mặc ngoài (hai mẫu vải dệt thoi và một mẫu vải dệt kim), hai mẫu vải lót là vải dệt kim đan dọc.
Các thí nghiệm lơi ứng suất được thực hiện với chiều dài máy đo là 220 mm, và tốc độ kéo căng là 550mm/ phút. Các đặc trưng khác của các thí nghiệm này như sau: chiều dài mẫu là 100mm, chiều rộng của các mẫu là 50 mm, sức căng của các mẫu ban đầu là 2N/ 5cm, độ biến dạng của các mẫu là 10, 15, và 20% chiều dài máy đo ban đầu, khoảng thời gian để đạt được biến dạng trên của các mẫu là từ 2s đến
4s, tùy thuộc vào độ xiên canh của vải, khoảng thời gian lơi ứng suất (các mẫu dưới sự biến dạng) là 1800s.
Để xác định ảnh hưởng của sự biến dạng dưới tác dụng của hiện tượng lơi ứng suất, các mẫu đã được kéo giãn 10, 15 và 20%. Dự toán định lượng lơi ứng suất đã được thực hiện bằng cách sử dụng các chỉ số lơi IR (%), xác định sự thay đổi ứng suất trong một khoảng thời gian nhất định và so sánh nó với các giá trị ban đầu. Lơi ứng suất được tính bằng cách sử dụng các chỉ số lơi IR hoặc sự biến đổi của các chỉ số lơi ΔIR trong 18s đầu tiên và trong giai đoạn từ 18s đến 1800s.
Họ đã tìm thấy lơi ứng suất của hệ hai lớp vải theo cách tìm lơi ứng suất của từng thành phần: sự thay đổi ứng suất của hệ hai lớp vải lớn nhất là từ 5-20s đầu tiên trong quá trình lơi. Sau khi biến dạng đạt được từ 10-20%, thì giá trị ứng suất Fmax của hệ hai lớp vải và của từng thành phần sẽ tăng lên sau khi được kéo căng.
Giá trị lơi ứng suất sẽ thay đổi phụ thuộc vào cấu trúc và các đặc tính vật lý của từng loại vải.
Tác giả Virginijus Urbelis, Antanas Petrauskas và Ada Gulbinienė đã kết luận:
Trong hầu hết các trường hợp, ở giai đoạn bắt đầu quá trình lơi của hai mẫu vải dệt thoi kém tập trung hơn loại vải dệt kim (một mẫu vải mặc ngoài và hai mẫu vải lót), ví dụ trong khi các mẫu bị kéo giãn 15%, giá trị ΔIR của các mẫu vải dệt thoi sau 18s đã đạt được 11-15%, và các mẫu vải dệt kim đạt từ 18% đến 27%. Xu hướng thay đổi ứng suất vẫn tương tự trong khoảng thời gian từ 18s đến 1800s (các mẫu vải dệt thoi: ΔIR = 9 % – 16 %, các mẫu vải dệt kim: ΔIR = 11 % - 31 % (trừ vải dệt kim mặc ngoài theo chiều ngang có ΔIR = 5 %, tức là kém khoảng 2 lần so với ΔIR của các mẫu vải dệt thoi). Điều này chứng tỏ rằng các vải dệt thoi đã thí nghiệm có các đặc trưng đàn hồi hơn so với vải lót hoặc vải dệt kim mặc ngoài theo chiều dọc. Khi các giá trị ΔIR của chỉ số lơi của vải lót lớn hơn 1.5-5 lần thành phần vải chính, thì sau khi kết dính vải lót có ảnh hưởng đáng kể hơn tới quá trình lơi của hệ hai lớp vải. Khi các giá trị ΔIR của cả hai thành phần tương tự nhau, giá trị lơi của hệ hai lớp vải bằng giá trị lơi của thành phần vải chính (lớp mặc ngoài) của hệ.
W. Żurek, M. Chrzanowski, W. Sybilska, I. Jałmużna [26] đã lấy ý tưởng của Hasley là một nguồn cảm hứng để đề xuất mô hình lưu biến mới, có thể sử dụng để mô tả ứng xử cơ học của sợi dệt khi chịu các tải trọng kéo căng hoặc tải trọng nén.
Từ mô hình đề xuất (hình 1.17) đã tìm ra phương trình tính lực trong suốt giai đoạn lơi.
Hình 1.17. Mô hình lưu biến của Żurek I – Lò xo Hooke với độ cứng C1
II – Lò xo Hooke với độ cứng C2, đã mắc nối tiếp với một phần tử ma sát có sức cản T và lực phụ thêm 22 và một pittong có khối lượng m di chuyển trong chất lỏng có độ nhớt η, trong đó 22 là độ dịch chuyển của pittong từ vị trí ban đầu của nó.
Công thức (1.7) mô tả quá trình lơi của các sợi đơn PP theo mô hình lưu biến của Żurek. Từ công thức đó tính toán được các lực thực nghiệm và lực lý thuyết trong giai đoạn lơi đối với các sợi đơn PP.
F (t>t0) = ( ( ( ( (1.7) (
)
; ; ; Trong đó: C2 – Độ cứng của lò xo phần tử II (C2)
– Độ nhớt của chất lỏng trong pittong m - Khối lượng pittong
u - Tỷ lệ biến dạng của mô hình ( ( = hằng số) T – sức cản của phần tử ma sát
K - hệ số lực thêm vào t0 - Thời gian dừng biến dạng
Mô hình đã đề xuất thể hiện đầy đủ các quan hệ ứng suất – biến dạng của các sợi đơn PP trong thí nghiệm kéo giãn. Mô hình này đã mô tả chính xác hiện tượng lơi của các sợi đơn PP được tiến hành trong 180s.
Các tác giả tiếp tục mô tả các tính chất lưu biến của vải không dệt PP khi chịu tải trọng nén với giả sử trọng lượng của pittong trong mô hình (hình 1.17) bằng 0.
Công thức (1.8) mô tả quá trình lơi của vải không dệt [26]:
F = - C ( ) + C2 (1.8) Trong đó: t1 là thời điểm vật liệu bắt đầu diễn ra quá trình lơi ứng suất
Thí nghiệm dùng ba loại mẫu không dệt khác nhau từ sợi polypropylene với mật độ tuyến tính bằng 6.7, 12, 18 dtex và chiều dài bằng 60 mm. Khối lượng diện tích của các vải không dệt sấp sỉ bằng 400 g/m2. Các mẫu đã chuẩn bị đã được khảo sát dưới tải trọng nén bằng máy thí nghiệm Instron. Tất cả các mẫu được nén với áp lực bằng 0.0247 N/mm2, tốc độ 5 mm/phút.
Các hình dạng của đường cong lý thuyết và đường cong phục hồi đàn hồi thực nghiệm không khác nhau đáng kể trong thí nghiệm phục hồi (như thể hiện trong hình 1.18). Hệ số tương quan giữa dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu lý thuyết trong khoảng giữa 0.883 tới 0.947.
a. Nén
b. Lơi
c. Phục hồi đàn hồi
Hình 1.18. Kiểm tra các đường cong nén, đường cong lơi và đường cong phục hồi đàn hồi của vải không dệt PP
Để mô tả quá trình lơi của sợi, L.Vangheluwe và P.Kiekens [18], [5] 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 1.19).
b
E1 E2 Ep
1
2 p
Hình 1.19. Mô hình maxwell phi tuyến mở rộng [18].
Các công thức (1.9) mô tả mối quan hệ giữa lực F (cN), độ giãn ( ) và thời gian (t) của mô hình phi tuyến mở rộng này.
Fn1 = Eb ;
=
+ (1.9)
= = , với mọi giá trị của i; i = ̅̅̅̅̅
F = Fn1 +
p
i
Fi 1
Trong đó: Fn1 và : Lực (cN) và độ giãn (%) của lò xo phi tuyến Eb: Hằng số đàn hồi của lò xo phi tuyến;
Fi và : 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;
: 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:
F = Fv + Eb + r
p
i
i
j
1
) 1
(( + ( + (-1)j+1 ).exp(t0/ ).exp(-(t-t*)/ )) (1.10) Trong đó: j = 0 khi đặt tải lên sợi; j = 1 khi bỏ tải khỏi sợi.
Đã có một số công trình nghiên cứu về hiện tượng lơi của xơ, sợi. Các tác giả đã đưa ra được mô hình để mô tả hiện tượng lơi của xơ, sợi. Hiện tượng lơi của vải mới được nghiên cứu nhưng chưa đưa ra được phương trình hay mô hình lơi. Đặc biệt là nghiên cứu giải thích về hiện tượng lơi của vải may mặc.
1.2.3.2. Hiện tượng rão của vải
Nếu như một đầu xơ, sợi, vải được kẹp cố định, đầu kia treo tải trọng không đổi (hình 1.20), thì xơ, sợi, vải xảy ra biến dạng rão của quá trình kéo giãn khi ứng suất không đổi.
a) b)
Có tải Bỏ tải
I II
0
0
const
0
p
Hình 1.20. Diễn biến quá trình rão [5].
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 [5].
Trong thực tế, không phải lúc nào vải cũng chịu tải trọng đến đứt, mà hầu hết các trường hợp vải chỉ chịu một mức tải trọng nào đó và bị biến dạng theo thời gian. Sau một thời gian chịu tải, vải lại ở trạng thái không chịu tải trọng hoặc chịu tải trọng nhỏ. Để hiểu biết về sự biến dạng của vật liệu dệt, cần nghiên cứu hiện tượng rão của vải. Rão là một loại biến dạng thường thấy trong vải và sản phẩm may mặc. Hầu hết tất cả các vật liệu dệt có lượng rão đáng kể. Một ví dụ hiển nhiên là rão của quần áo do việc lưu trữ chúng trong các cửa hàng một thời gian dài. Nếu quần áo được treo trên móc trong một thời gian dài, nó sẽ biến dạng tại các trục dưới trọng lượng của nó. Thỉnh thoảng biến dạng này tồn tại trong quần áo và không phục hồi. Đây là hiện tượng rão, là hiện tượng đặc biệt không mong muốn đối với quần áo sang trọng. Các vải dệt kim đã dùng trong may mặc bị giãn với lượng rất lớn, khi treo quần áo dệt kim trên móc hoặc trong suốt quá trình cử động của cơ thể. Sự mất độ đàn hồi trong suốt quá trình sử dụng là một trong các vấn đề quan trọng nhất có thể ảnh hưởng tới độ bền lâu dài của quần áo dệt kim như đồ lót và quần áo thể thao… Vật liệu và cấu trúc của vải dệt cũng như lượng tải trọng và điều kiện môi trường ảnh hưởng tới ứng xử rão của vật liệu vải dệt.
Ứng xử rão của quần áo và xơ sợi có tầm quan trọng trong quá trình sản xuất sợi và vải. Vì vậy, rão có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu sự tồn tại của vật liệu dệt theo thời gian.
Các tác giả Virginijus Urbelis, Antanas Petrauskas, Arvydas Vitkauskas [25]
đã khảo sát sự rão và phục hồi rão của hai loại vải mặc ngoài và hai loại vải lót kết dính cũng như hệ thống hai lớp vải (lớp mặc ngoài và lớp lót) của chúng dưới các tải trọng không đổi khác nhau. Mô hình cơ học (hình 1.21) đã đề xuất cho việc phân tích lý thuyết rão và phục hồi rão.
Hình 1.21. Mô hình cơ học để thực hiện quá trình rão và phục hồi rão
Chu kỳ thí nghiệm rão và phục hồi rão áp dụng trong nghiên cứu được thể hiện ở hình 1.22.
Hình 1.22. Chu kỳ thí nghiệm rão và rão phục hồi đã áp dụng trong nghiên cứu Trong hình 1.22, các vùng gạch chéo thể hiện sự phát triển của cả hai biến dạng nhớt đàn hồi trong quá trình rão và phục hồi rão. Phần còn lại của tổng biến dạng trong quá trình rão thể hiện sự tăng biến dạng đàn hồi, giá trị biến dạng đàn hồi tại điểm cuối của quá trình rão là . Quá trình rão của mô hình là sự tăng biến dạng với điểm thời gian t* tại tải trọng không đổi F được diễn tả bởi phương trình:
(
∑
[ (
)]
∑
* (
)+
(
Trong đó, và là các thời gian trễ của các phần tử Voigt. Phục hồi rão của mô hình là biến dạng giảm với điểm thời gian t** sau khi
(
∑
[ (
)] (
)
∑
* (
)+
(
Tác giả đã kết luận: Mô hình cơ học được đề xuất để đại diện cho quá trình rão và phục hồi rão của vải dệt và/ hoặc các hệ nhiều lớp vải. Mô hình có phổ thời gian trễ riêng biệt không thay đổi để diễn tả cả hai biến dạng phục hồi và biến dạng dẻo.
Tính bất đẳng hướng cơ học cao của các vải mặc ngoài và vải lót đã sử dụng để kết dính cũng như các giá trị của các thành phần biến dạng tại tải trọng không đổi trên hệ hai lớp vải kết dính là rất quan trọng trong khi đánh giá ứng xử của hệ hai lớp vải. Mức độ kéo giãn của các thành phần riêng biệt của hệ nhiều lớp vải, và hướng phát triển kéo giãn theo thời gian ảnh hưởng đáng kể đến giá trị của tổng các thành phần biến dạng.
Khi nghiên cứu hiện tượng biến dạng rão của vải, Shi-Zong Cui và Shan-Yarn Wang [21] cho rằng biến dạng rão của vải không dệt Polyester và vải dệt thoi từ vật liệu PP băng phim gồm bốn thành phần biến dạng: đàn hồi tức thời, dẻo tức thời, đàn hồi nhớt, dẻo nhớt và đề xuất phương trình mô tả biến dạng rão của vải như sau:
(t) = + +t D( ')
0
(
+ ( (1.13)
Trong đó: (t) – Biến dạng rão của vải.
– Thông số phụ thuộc biến dạng đàn hồi tức thời.
– Thông số phụ thuộc biến dạng dẻo tức thời.
( – Thông số phụ thuộc biến dạng đàn hồi nhớt.
(
– Biến dạng dẻo nhớt.
Thời gian phục hồi và : = t dta'
0
và = t a '
0
, , g và là những thông số phụ thuộc vào ứng suất.
Khi ứng suất đủ nhỏ thì = = g = = 1
Bốn số hạng trong vế bên phải của phương trình (1.13) 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: ( = c (1.14) 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:
( = + = + (1.15) Biến dạng tức thời tại thời điểm giảm tải trọng phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi: - = = (1.16) Trong đó tr là thời gian lúc giảm tải.
Biến dạng rão trong 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:
= cg + + ( (1.17) Trong giai đoạn phục hồi, biến dạng bao gồm: biến dạng dẻo tức thời, biến dạng dẻo và biến dạng nhão, được biểu hiện như sau:
= + + [ ( ] [(1+a0 )n – (a0 )n] (1.18) Trong đó: =
Tác giả Shi-Zong Cui và Shan-Yan Wang [21] bằng thực nghiệm đã nghiên cứu hiện tượng rão của vải không dệt và vải dệt thoi. Kích thước của mỗi mẫu 20x5 cm, tải trọng ban đầu 12,4N. Các mức tải trọng nghiên cứu rão lần lượt là 120N, 240N và 400N. Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện tiêu chuẩn.
Sử dụng giá trị các thông số , , c, n, và phương trình hồi quy của các hàm thông số , , g và , 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 1.23.
Thời gian (s)
Độ giãn (%)
10 15 20 25 30 35
0 200 400 600 800 1000 1200 400N
240N
120N
Hình 1.23. Đường cong biến dạng rão của vải không dệt Polyester [20].
--- Đường cong tính toán Đường cong thực nghiệm.
Các tác giả V. Urbelis, A. Petrauskas và A. Vitkauskas [23] đã nghiên cứu tác động cơ học phụ thuộc thời gian của hệ ghép đôi các loại vải dệt (vải dệt thoi và vải dựng, vải dệt thoi và mếch) được ghép hoặc kết dính với nhau, bao gồm các quan hệ ứng suất - độ giãn, rão và phục hồi rão cũng như là sự phân bố sức căng trên các thành phần đơn lẻ dưới tác động của trọng tải không đổi. Các loại vải sử dụng trong nghiên cứu này được dùng cho sản xuất hàng may mặc.
Sáu mẫu vải dệt kim, dệt thoi có cấu trúc và thành phần sợi khác nhau đã được sử dụng cho nghiên cứu. Ba loại vải được sử dụng làm vải mặc ngoài cho hàng may, một loại vải là lớp lót không dính kết và hai loại vải dệt kim đan dọc được sử dụng làm lớp vải lót có thể dính kết. Cường độ lực, độ giãn cao nhất của các loại vải là hoàn toàn khác nhau khi kéo giãn theo chiều dài, chiều rộng có liên quan tới sự khác nhau về thành phần của mẫu thử.
Tất cả các thí nghiệm rão được thực hiện với chiều dài máy đo là 250 mm, khổ rộng của các mẫu thử 50 mm. Tám mẫu thử cho mỗi hệ thống vải được thí nghiệm theo từng hướng cơ bản: chiều dài và chiều rộng. Thí nghiệm biến dạng rão dưới tải trọng 50N trong thời gian t1 = 30 phút, tiếp theo là giai đoạn phục hồi rão trong thời gian t2 = 30 phút. Trong cả chu trình thí nghiệm, sự thay đổi chiều dài mẫu thử đã ghi lại bằng số sau từng khoảng thời gian. Sơ đồ dưới dạng biểu đồ của quá trình rão và phục hồi rão của mẫu vải thí nghiệm được đưa ra trong hình 1.24.