LABORATORYJNA OCENA RETARDACJI TEKSTYLIÓW

Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM’04
_________________________________________________________________________________
Włodzimierz KONECKI
Politechnika Łódzka
Katedra Metrologii Włókienniczej
LABORATORYJNA OCENA
RETARDACJI TEKSTYLIÓW
Przedstawiono oryginalne stanowisko pomiarowe DURAMETR z opracowanym
programem komputerowym na bazie oprogramowania LabVIEWTM do laboratoryjnej
oceny retardacji tekstyliów redukujące czas badań . Podano rezultaty analizy porównawczej
zmian wydłużeń filamentów poddanych stałym obciążeniom na maszynie
wytrzymałościowej INSTRON i DURAMETRZE. Przeprowadzono pomiary pełzania
monofilamentów polipropylenowych w funkcji stopnia ich skręcenia. Stwierdzono istotny
wpływ skrętu oraz wysoki rozrzut badanych wskaźników.
LABORATORY EVALUATION OF TEXTILES’ RETERDATION
The original measurement stand DURAMETR with worked-out computing
programme on base LabVIEWTM software is presented to laboratory evaluation of textiles’
retardation reducing time of tests. The results of comparative analysis of the changes of
filaments’ strain under the constant loads on INSTRON tester and DURAMETR are given.
The tests of polypropylene monofilaments’ creep in function of degree of their twist were
done. The influence of twist and high variability of tested characteristics were observed.
1. WSTĘP
W ostatnich latach nastąpił znaczący rozwój nowej generacji włókien chemicznych i
mineralnych określanych terminem „włókna kompozytowe” lub „włókna konstrukcyjne”
obejmującej dwie grupy włókien: wysokosprawne i wysokoodporne [1-8]. Pierwsze z nich
charakteryzują się bardzo wysokimi wartościami parametrów mechanicznych i względnie
dobrymi właściwościami odpornościowymi na działanie wysokich temperatur, światła i
różnego rodzaju czynników chemicznych, zaś włókna drugiej grupy cechują się bardzo
wysokimi własnościami odpornościowymi i niższymi wartościami cech wytrzymałościowych
w odniesieniu do włókien wysokosprawnych. Wśród wielu rodzajów tych włókien czołowe
miejsce zajmują włókna polipropylenowe znajdujące zastosowanie w wyrobach technicznych
oraz specjalnego przeznaczenia, m.in. w wyposażeniu i odzieży stosowanych w sportach
rekreacyjnych i wyczynowych [9]. Specyficzne warunki pracy tych wyrobów wymusiły
opracowanie wielu nowych metod wyznaczania ich właściwości przy działaniu nietypowych,
w stosunku do klasycznych włókien, obciążeń i czynników z uwzględnieniem między innymi
czasu ich działania oraz sposobów przewidywania ich trwałości [10-13]. Jednym z takich
badań jest pomiar retardacji tekstyliów, która oceniana jest poprzez czas działania stałego
obciążenia lub jej wydłużenie w momencie zniszczenia próbki. Zazwyczaj badania retardacji
realizowane są za pomocą różnych typów maszyn wytrzymałościowych lub stanowisk
Włodzimierz KONECKI
________________________________________________________________________________
334
pomiarowych z odpowiednim oprogramowaniem posiadających jednak jedną wadę –
możliwość pomiaru w danym momencie tylko jednej próbki, co powoduje iż wyznaczania są
bardzo czasochłonne i obniżające wykorzystanie tego rodzaju przyrządów. Mając na uwadze
eliminacje tej niedogodności opracowano i zbudowano 8-mio stanowiskowy przyrząd
DURAMETR.
2. STANOWISKO POMIAROWE
DURAMETR (Rys.1) składa się z ramy (1) z zamocowanymi 8-ma zaciskami (2) w
części górnej.
Rys. 1. Schemat DURAMETRU
Fig. 1. Scheme of DURAMETR
W dolnej części do ramy przymocowane są dwie płyty (3 i 4) z umocowanymi w nich stałymi
nakrętkami, w których obraca się śruba pociągowa (11). W płycie (3) zamocowano liniowe
przetworniki przemieszczenia (5) typu PTx 400 (PELTRON), których elementy przesuwne
(6) są połączone z dolnymi zaciskami (7) posiadającymi talerze (8) służące do nakładania
obciążników (9). Sygnał wyjściowy z przetworników (napięcie) jest przekazywany poprzez
wzmacniacz MPL 108 (PELTRON) do komputera z zainstalowaną kartą AT-MIO-16E-10
firmy National Instruments i opracowanym na bazie programu LabVIEWTM [14]
oprogramowaniem do rejestracji zmian wydłużenia próbek w funkcji czasu działania
obciążenia. Próbki tekstyliów mocowane są w zaciskach (2 i 7), a na talerzach (8) nakładane
są obciążniki (9) o dowolnych masach. Rodzaj zacisków oraz ich rozstaw mogą być
zmieniane w zależności od rodzaju tekstyliów. W stanie wyjściowym talerze (8) opierają się
na płycie (10), która po uruchomieniu programu opuszcza się z prędkością 100 mm/min
dzięki śrubie (11) napędzanej silnikiem elektrycznym. Jednocześnie przesuwają się też
Laboratoryjna ocena retardacji tekstyliów
335
________________________________________________________________________________
elementy przesuwne (6) przetworników. Następuje proces rozciągania próbek do momentu
ustania kontaktu poszczególnych talerzy z płytą, a po tym działa na próbki stałe obciążenie.
Przez cały czas rejestrowane jest wydłużenie próbek w funkcji czasu z wybraną
częstotliwością próbkowania. Czas t trwania pomiaru oraz częstotliwość próbkowania p
mogą być nastawiane w s, min, h, dniach lub nawet w latach każdy z zakresu 0 – 3,4E38.
Czas trwania pomiaru może być dodatkowo podzielony na trzy podokresy o wybranych
czasach trwania i częstotliwościach próbkowania w ramach podanych zakresów.
Rejestrowane dane w postaci częstotliwości próbkowania p w s oraz wartości wydłużeń
bezwzględnych próbek w mm (Tabela 1) zapisywane są w pliku o dowolnej nazwie
wprowadzonej w stronie operacyjnej programu (Rys.2) na dowolnym nośniku. Zależności
wydłużenia próbek od czasu działania obciążenia mogą być przedstawione w postaci
graficznej (Rys.3).
Rys. 2. Widok strony operacyjnej programu
Fig. 2. The view of programme operating page
Włodzimierz KONECKI
________________________________________________________________________________
336
Rys. 3. Graficzna prezentacja danych
Fig. 3. Graphic data presentation
Tabela 1
Fragment zapisu danych
The part of data recording
p,s
0,5
1
1,5
……
122,5
……
1
1,816
3,085
3,671
……
75,424
……
2
1,034
2,206
2,695
……
67,563
……
3
1,523
2,597
3,085
……
68,594
……
4
1,523
2,597
2,987
……
67,963
……
5
0,937
2,109
2,597
……
66,757
……
6
1,034
2,206
2,695
……
69,296
……
7
1,230
2,402
2,890
……
69,687
……
8
1,230
2,402
2,987
……
67,253
……
3. WERYFIKACJA STANOWISKA POMIAROWEGO
W celu dokonania oceny porównywalności wskazań wykonano pomiary retardacji
monofilamentów poliestrowych (PET) i polipropylenowych (PP) z zastosowaniem maszyny
wytrzymałościowej INSTRON model 4402 z oprogramowaniem serii XII (Cyclic Test) do
badań cyklicznych oraz DURAMETRU stosując jednakowe warunki badań, tj. prędkość
rozciągania v = 100 mm/min, długość początkową próbek Lo = 500 +/-1 mm oraz wartości
stałych obciążeń: P = 7,8; 11,8 i 14,2 N dla PES o średnicy d = 0,205 mm; P = 23,0; 33,4 i
40,2 N dla PES o średnicy d = 0,360 mm; P = 4,9; 7,4 i 8,8 N dla PP o średnicy d = 0,150 mm
oraz P = 20,0; 29,4 i 35,3 N dla PP o średnicy d = 0,300 mm, W każdym wariancie wykonano
n = 16 pomiarów w warunkach umiarkowanego klimatu normalnego, tj. przy temperaturze
powietrza t = 20o +/-2o C i jego wilgotności względnej ϕ = 65 % +/-2 %. Do oceny
zastosowano analizę korelacyjną, która wykazała, iż we wszystkich wariantach badań
wartości współczynników korelacji liniowej nie były niższe niż 0,999 (Rys.4), co potwierdza
wysoką zgodność pomiędzy przyrządami.
Laboratoryjna ocena retardacji tekstyliów
337
________________________________________________________________________________
Rys. 4. Linia regresji dla monofilamentu PP o średnicy d = 0,300 mm – P=20,0 N
Fig. 4. Regression line for monofilament PP of diameter d = 0,300 mm – P=20,0 N
4. RETARDACJA MONOFILAMENTÓW POLIPROPYLENOWYCH
4.1. Materiał badań
Obiektem badań były monofilamenty polipropylenowe (PP) o kołowym kształcie
przekroju poprzecznego o średnicach d = 0,150 mm (PP15) i d = 0,300 mm (PP30) produkcji
ZWCh. Stilon S.A. w Gorzowie Wlkp. Badania retardacji dotyczyły monofilamentów
bezskrętowych i ze skrętem, którym nadano odpowiednią liczbę skrętu T w kierunku Z
zapewniającą jednakowe wartości parametru skrętowego g = πdT
wynoszące g = 0,1; 0,2 i 0,3.
dla obu średnic i
4.2. Warunki badań
Zastosowano długość początkową próbek Lo = 500 +/-1 mm oraz następujące wartości
obciążeń: dla PP15 – P = 7,4 i 8,8 N, a dla PP30 – P = 29,4 i 36,3 N. Wartości tych obciążeń
odpowiadały odpowiednio 70 % i 85 % wartościom średnim siły zerwania 500 mm próbek
(50 testów) nie skręconych monofilamentów otrzymanych z badań na maszynie
wytrzymałościowej INSTRON 4402 z programem serii IX (Automated Materials Testing
System). W każdym wariancie przeprowadzono n = 50 pomiarów retardacji. Wszystkie
badania były realizowane w warunkach umiarkowanego klimatu normalnego.
4.3. Rezultaty badań
Wartości czasu tr działania zastosowanych obciążeń stałych oraz wartości bezwzględnych
wydłużeń λr do momentu zerwania próbek przedstawiono w tabelach (Tabela 2 i 3).
Włodzimierz KONECKI
________________________________________________________________________________
338
Tabela 2
Rezultaty badań dla PP15
Test results for PP15
Wskaźnik
Średnie wydłużenie
λr, mm
Współczynnik
zmienności
wydłużenia v, %
Średni czas tr, s
Współczynnik
zmienności czasu v, %
Stałe obciążenie P = 7,4 N
Parametr skrętowy g
0
0,1
0,2
0,3
35,6
32,4
29,7
28,3
Stałe obciążenie P = 8,8 N
Parametr skrętowy g
0
0,1
0,2
0,3
39,6
32,9
32,7
31,5
16,6
21,2
26,5
29,9
19,0
33,4
9,5
50,0
133,9
147,1
76,2
101,8
71,3
92,6
71,4
155,8
37,6
57,3
28,3
86,5
26,7
44,3
21,1
75,4
Tabela 3
Rezultaty badań dla PP30
Test results for PP30
Wskaźnik
Średnie wydłużenie
λr, mm
Współczynnik
zmienności
wydłużenia v, %
Średni czas tr, s
Współczynnik
zmienności czasu v, %
Stałe obciążenie P = 29,4 N
Parametr skrętowy g
0
0,1
0,2
0,3
35,8
34,6
31,7
26,5
Stałe obciążenie P = 36,3 N
Parametr skrętowy g
0
0,1
0,2
0,3
36,0
32,6
31,6
8,8
18,6
14,9
17,8
45,4
38,5
32,0
33,0
9,7
307,3
73,8
286,8
64,3
166,1
88,4
71,2
106,4
25,8
56,4
24,0
48,7
21,9
55,9
0,5
59,6
4.4. Analiza wyników
Rezultaty badań wykazały istnienie wpływu skrętu na trwałość monofilamentów
polipropylenowych przy działaniu stałego obciążenia. Dla obu testowanych włókien zarówno
czas działania obciążenia jak i bezwzględne wydłużenie w momencie zerwania się próbek
maleją w funkcji skrętu. Otrzymane wartości wskaźników charakteryzują się jednak bardzo
wysokimi poziomami rozrzutu, bowiem współczynniki zmienności wydłużenia są w zakresie
9,5 – 50 %, a dla czasu przyjmują wartości z przedziału 44,3 – 158,8 %.
Mimo wykonania 50 pomiarów względne błędy przypadkowe przy poziomie ufności α = 0,05
są również bardzo duże – 2,7 – 14,2 % dla wydłużenia i 12,5 – 44,1 % dla czasu. Przyczyną
tak wysokich rozrzutów może być niejednorodność tworzywa i zmiana wewnętrznej struktury
monofilamentów zwiększające się wraz ze wzrostem skrętu.
Laboratoryjna ocena retardacji tekstyliów
339
________________________________________________________________________________
5. WNIOSKI
Rezultaty pracy pozwalają na końcowe wnioski w postaci:
1. Badania wskazują na bardzo wysoką porównywalność wyników otrzymanych za
pomocą DURAMETRU i INSTRONA,
2. Nowe stanowisko pomiarowe w znaczący stopniu redukuje czas badań retardacji,
3. DURAMETR może być z powodzeniem stosowany do oceny pełzania tekstyliów
poddanych działaniu stałego obciążenia.
LITERATURA
1. Urzheimtzev Yu.S.; Maksimov R.D., Prognosis of deformations polymeric materials,
Riga, (1975).
2. Bartenev G.M., Durability and Machanism of Destruction of Polymers, Chemistry,
Moscow (1984)
3. Bendkowska W.: Wysokosprawnościowe włókna do celów specjalnych, Cz.I - Przegląd
Włókienniczy, 8, 1996; Cz.II - Przegląd Włókienniczy, 9, 1996; Cz.III - Przegląd
Włókienniczy,8, 1997.
4. Bendkowska W.: Nieorganiczne włókna chemiczne, Przegląd Włókienniczy, 11, 1997.
5. Mukhopadhyay S.K.: Reinforcing Fibres .Part I: Materiale and Properties - Textile
Horizons, No.7, pp.42-45, June 1992; Part II: Applications - Textile Horizons, No.9,
pp.38-40, Semptember 1992.
6. Global expansion of high performance fibres, Man-Made Fiber Year Book, August 2000.
7. Bendkowska W.: Nowe włókna na tekstylia techniczne, Cz.I – Przegląd Włókienniczy,12,
2001; Cz. II – Przegląd Włókienniczy, 1, 2002.
8. http://www.technica.net
9. Urbanowski A.: Włókna polipropylenowe w tekstyliach technicznych, Przegląd
Włókienniczy, 8, 1999.
10. Redy D.V., Butul B.: A Comprehensive Literature Review of Linear Failures and
Longevity – www.floridacenter.org/publications/.
11. Creep Tester STRAINVIS – http://www.creat.com.
12. INSTRON, Series XII Software, Cyclic Test (1991).
13. Konecki W., Żurek W., Krucińska I., Piasecki M.: DURAMETR – A New Stand for
Estimating the Durability of Textiles,Fibres & Textiles in Eastern Europe, Vol.10, No.3,
pp.40-42, 2002.
14. National Instruments, LabViewTM 5.0 Graphical Programming for Instrumentation.
Włodzimierz KONECKI
________________________________________________________________________________
340
ABSTRACT
The marked increase of new generation of synthetic and inorganic fibers for technical
applications is observed in the past years. Among these fibers, defined as reinforcing or high
performance, the polypropylene fibers represent the high part. One of specific test of
evaluation of the properties of these textiles is the determination of retardation. At present for
such purpose the load testers with additional equipment and software are used, but they allow
to test at given moment only the one sample at usually long length of test’s time. The aim of
work was the construction of measuring stand given the possibility of testing more number of
samples. The worked-out stand DURAMETR with computer programme enables to test
simultaneously 8 samples submitted of acting of constant loads. The elongation and time to
breaking of samples are recorded. The comparative analysis of the changes of filaments’
strain under the constant loads on INSTRON tester and DURAMETR showed the high
reproducibility of results. Besides the tests of polypropylene monofilaments’ creep in function
of degree of their twist were done. The influence of twist and high variability of tested
characteristics were observed.