VLASTNOSTI VLÁKEN
5. Povrchové vlastnosti vláken, tření
5.1. Úvod
Povrch vlákna je důležitý pro řadu vlastností vlákna. Často se jeho struktura liší od
struktury zbytku vlákna. U přírodních vláken je to dána již jeho odlišnou strukturou vzniklou
při růstu těchto vláken, u chemických vláken je povrch ovlivněn technologickými
podmínkami přípravy. Úprava povrchových vlastností je důležitá pro jeho zpracovatelské, ale
často i užitné vlastnosti vláken. Velikost povrchu je závislá především na průměru vlákna, ale
lze ho ovlivnit i tvarem příčného řezu. Často stojí za snahou vytvářet stále jemnější vlákna
především získání co největšího povrchu na hmotnostní jednotku vlákenného útvaru
(nekonečného hedvábí, příze, tkaniny, netkané textilie). Úprava nebo modifikace povrchu
vlákna patří mezi jedny z nejčastěji používaných způsobů úpravy vlastností vlákenných
útvarů. Povrch vlákna ovlivňuje zejména tyto vlastnosti vlákna a textilních útvarů:
- tření mezi vlákny
- tření mezi vláknem a jiným materiálem (kov, keramika, plastická hmota atd.)
- absorpce a adsorpce
- dielektrické vlastnosti a vodivost
- adheze k jiným materiálům
- oděr a abrase
- omak
- koloristické vlastnosti vlákna
- lesk
- špinivost
O většině těchto vlastnosti bude pojednáno jinde. Zde se omezíme na problematiku třetí (a
s ní spojenou lubrikaci), zmíníme se o některých záměrných modifikacích povrchu, které
mají za cíl upravit zpracovatelské a užitné vlastnosti vláken.
5.2. Obecný mechanismus tření
Tření je na jedné straně nezbytné pro zajištění soudržnosti vláken v přízích a průtah
pramene. Na straně druhé je vysoké tření příčinou porušení povrchu, snížení splývavosti a
vzniku problémů při kontaktu textilií s kovy (při odvíjení a navíjení přízí, pletení, šití atd.).
V r. 1699 prezentoval Amontons dva základní postuláty povrchového tření
a) třecí síla je nezávislá na ploše kontaktu mezi tělesy
b) třecí síla je úměrná normálové síle mezi povrchy v kontaktu.
Pro koeficient statického tření µ pak platí
F
µ=
kde F je síla potřebná k pohybu těles v kontaktu a N je normálová síla.
N
N
F
Poměry při ideálním tření dvou hladkých těles
1
prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec
Vlastnosti vláken
Amontons také rozlišil mezi statickým třením, které je obyčejně větší než kinematické
tření (potřebné k udržení pohybu troucích se těles). Pro velikost tření vlákna při vedení přes
vodič kruhového průřezu platí
T1 / T2 = e µΘ
kde T1 je vstupní napětí, T2 je výstupní napětí, µ je součinitel tření a Θ je úhel opásání vlákna.
Tření vlákna přes vodič
Pro charakterizaci mezivlákenného tření je také možné použít dynamických
mechanických experimentů. Pokud se měří na zařízení pro klasickou dynamickomechanickou analýzu ztrátový úhel tgδ textilní vlákenné struktury (příze) platí pro koeficient
tgδ * E * A c *ηv * A *ω
tření vztah
µ=
−
4
4
kde E je reálná část modulu vlákna ηv je viskozita vlákna, A je amplituda zatěžování, ω je
úhlová frekvence zatěžování a C je konstanta blízká hodnotě 1.
5.3. Metody měření tření vláken
Existuje celá řada metod měření tření vláken:
- Bowden a Lebenova metoda, spočívající k posunu zatíženého válce po rovinné ploše.
Napětí při posunu válce po rovině kolísá mezi statickou a dynamickou hodnotou tření.
- Guthrie a Oliverova metoda využívající tření dvou kolmých vláken upnutých do rámu. Jde
v podstatě o torzní váhy, které registrují velikost vychýlení jednoho z rámečků. Opět
dochází ke kolísání mezi statickou a dynamickou hodnotou tření. Princip je patrný
z obrázku.
Guthrie a Oliverova metoda měření tření vláken
-
Rychlá metoda měření tření na válci. Při určitém závaží dojde k pohybu vlákna – měříme
statické tření. Při rotaci vlákna je tření kompensováno určitou silou – měříme dynamické
tření. Při natažení vláken na obvod válečku s uchycením na okraji měříme tření vláknovlákno. Volbou materiálu válečku můžeme měřit tření např. vlákno/kov. Princip je opět
patrný z obrázku. Využíváme výše uvedeného vztahu T1 /T2 = e µΘ. Pro uspořádání podle
obrázku (b) pro dynamické tření platí, že T1*L1 = T2*L2.
2
prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec
Vlastnosti vláken
Rychlá metoda měření tření vláken (a) statické (b) dynamické měření
-
Pro měření interfibrilárního tření mezi vlákny je možno použít metody podle Lindberga a
Graléna. Dvě vlákna se vzájemně zakroutí a pak se měří síla potřebná k jejich
vzájemnému posunu. Pro tření platí vztah µ = ln (T2 /T1)*/( π*n*β), kde T1 a T2 jsou
napětí vlákna 1 a vlákna 2, n je počet zákrutů a β je úhel mezi osou vláken a odtahovaným
vláknem. Schematicky je znázorněno na obrázku.
-
Měření interfibrilární frikce
5.4. Vliv různých faktorů na tření
Standardně se předpokládá, že tření je nezávislé na rychlosti těles v kontaktu.
Experimentálně však bylo prokázáno, že tření polymerů je na rychlosti poměrně výrazně
závislé. Např. pro polypropylénová vlákna je kinetické tření při rychlostech blízkých nule
rovno 0,4. Maximum nastává při cca 100 cm/s, kdy je kolem 0,7, tedy téměř dvojnásobné.
Závislost tření na rychlosti je pro různé polymery zcela odlišná. Při detailnějším rozboru
experimentálních údajů pro různá vlákna bylo zjištěno, že
a) tření je závislé na ploše kontaktu těles
Experimentálně bylo nalezeno, že F = µ0*N+α*S, kde S je plocha kontaktu a α je konstanta
úměrnosti
b) závislost tření na velikosti normálové síly je mocninná.
Příklad měření závislosti tření na zatížení je na obrázku pro vlákna různých průměrů D.
3
prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec
Vlastnosti vláken
tření v závislosti na zatížení
Nejjednodušší model popisující tření vláken má tvar
F = a * N n , kde a, resp. n jsou konstanty závislé na typu vlákna a směru tření.
Platí, že 0,75 < n< 0,95 a pro neznámé materiály vyhovuje volba n = 0,9.
Při detailnějším rozboru mechanismu tření je třeba brát v úvahu to, že povrchy vláken jsou
drsné. Při tření dochází k plastické deformaci lokálních extrémů (asperit) doprovázenému
lokálním ohřevem až natavováním. Celková třecí síla je pak součtem této deformační síly a
adhezní síly vznikající vlivem elektrostatických vazeb mezi povrchy a difúze atomů přes
mezipovrch. Tření je tedy do značné míry závislé na povrchové energii vláken. Pro vlákna
s velmi nízkou povrchovou energií je také tření minimální. Příkladem je polytetrafluoretylén,
pro který je µ = 0,04.
Koeficienty tření vlákno/vlákno
typ
statické tření kinetické tření
viskóza
0,35
0,26
polyamid 6
0,47
0,40
vlna (směr šupinek)
0,13
0,11
vlna (proti šupinkám)
0,61
0,38
hedvábí/hedvábí
0,35
0,26
polyester
0,58
bavlna
0,22
přírodní hedvábí
0,52
ocel
0,21
Kinetické tření je obvykle menší než statické tření. Na druhé straně s rostoucí rychlostí
pohybujícího se vlákna tření roste. Na dalším obrázku je znázorněna závislost třecí síly na
rychlosti pohybu příze přes vodící element.
Kinetické tření v závislosti na rychlosti pohybu vlákna
4
prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec
Vlastnosti vláken
Tření závisí u vláken s vysokou navlhavostí také na obsahu vlhkosti ve vlákně.
S rostoucím obsahem vlhkosti součinitel tření roste.
Kinetické tření v závislosti na vlhkosti
Při tření vláken může docházet k poškození povrchu vlákna a tento jev vede k objasnění
podstaty tření vláken. Třením se povrch vlákna „zvrásní“. Na následujícím obrázku je
znázorněn povrch polyamidového vlákna, které se třelo o platinovou destičku zachycený
pomocí reflexní elektronové mikroskopie.
Povrch vlákna po tření
5.5. Podstata tření u vláken.
Povrch vláken je nepravidelný, pokud ho sledujeme při dostatečném zvětšení. Při
vzájemném styku nerovností dochází k jejich „spojení“ a tato spojení se přeruší při
vzájemném skluzu povrchů. S rostoucím zatížením roste tření, neboť nerovnosti se do sebe
více „zaklesnou“. Podstata procesu závisí na mechanických vlastnostech materiálu. U kovu
probíhá deformace dotykových míst v oblasti plastické deformace. S rostoucím tlakem se
zvyšuje počet „kontaktních“ bodů na jednotku plochy a proto tření roste úměrně tlaku. Princip
je patrný z obrázku.
Deformace v bodech kontaktů dvou povrchů.
5
prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec
Vlastnosti vláken
Pro kov pak platí rovnice F = (S / py )*N, kde F je síla potřebná k překonání tření, S je
smykové napětí nejslabšího kontaktu obou povrchů, N je použité přítlačné napětí a py je mez
kluzu materiálu. Protože S a py jsou pro daný materiál konstanty, není tření závislé na
velikosti třecí plochy a součinitel tření je tedy konstanta.
U polymerů však dochází při vzájemném kluzu kontaktních míst k viskoelastické oblasti a
podíl elastické a plastické složky závisí na přítlačné síle, je i tření závislé na této síle. Rozdíly
jsou patrné na následujících obrázcích.
Deformace povrchu kovu při různých tlacích probíhá vždy v oblasti plastické deformace materiálu.
Deformace povrchu elastického materiálu při různých tlacích (jako je diamant) probíhá vždy v oblasti
elastické deformace (OB) u vláken (OI) v oblasti viskoelastické deformace a u kaučuků opět v oblasti
velké elastické deformace.
5.6. Lubrikace vláken
Rozvoj lubrikace je spjat s vývojem parních strojů v 19. století. Ukázalo se, že tenká
vrstva oleje (lubrikantu) výrazně snižuje tření mezi hřídelí a ložiskem. Petroff (1883) poprvé
definoval viskózní odporu lubrikantu. Odpor je úměrný viskozitě oleje a rychlosti rotace
elementu a nepřímo úměrný vrstvě oleje. Hydrodynamický popis lubrikace zpracoval
Reynolds (1886). Součinitel tření závisí na parametru ZN/P, kde Z je viskozita lubrikantu, N
je počet otáček a P je kolmý tlak hřídele na ložisko. S rostoucí hodnotou tohoto parametru
koeficient tření nejdříve klesá (mezní oblast) a dále roste (hydrodynamická oblast).
Je obecně známo, že při použití lubrikantů se snižuje tření vlákno/vlákno i vlákno/kov
nebo jiný materiál. V porovnání s vlivem lubrikantů na tření kovů, kde součinitel tření klesne
z 1 na 0,05 , mají lubrikanty na tření vláken výrazně menší vliv, kde se tření snižuje pod 0,2.
U vláken v oblast lubrikace, kdy vrstva není dostatečné silná a nekryje všechny nerovnosti
povrchu tvoří dobrý lubrikant monomolekulární vrstvu, která zabrání adhesi obou povrchů
v kontaktních bodech. Pak tření je především výsledkem smykového napětí vyvolaného
deformací vrstvy lubrikantu. V podmínkách vyššího obsahu lubrikantu lze hovořit o
hydrodynamické lubrikaci, při kterém relativně vysoká vrstva lubrikantu je ovlivněna
viskozitou lubrikační vrstvy a součinitel tření je úměrný výše zmíněnému parametru ZN/P.
6
prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec
Vlastnosti vláken
Závislost součinitele tření µ na hodnotě tohoto parametru je patrná z obrázku, kde na místo
kolmého tlaku P vystupuje hodnota W, je napětí na vodiči, přes který vedu vlákno nebo
svazek vláken a V představuje rychlost pohybu vláken. Při zpracování vláken se většinou
pohybujeme v oblasti hydrodynamického tření, tedy oblast vysokých rychlostí a nízkých
napětí.
5.7. Modifikace povrchu vlákna
Vzhledem k tomu, že povrch vlákna ovlivňuje řadu vlastností, používá se k úpravě
vlastností vláken modifikace jejich povrchu. Jako příklad uveďme:
- Alkalická hydrolýza povrchu, především u polyesterových vláken, zlepšuje navlhavost,
neboť se mohou vytvořit na povrchu dokonce póry.
- Působní nízkoteplotní plazmy, která vyvolá štěpení povrchových molekul, větvení a
síťování povrchových molekul. Další možnost je použít tuto metodu k povrchovým
reakcím s dalšími látkami, tedy polymerizace, nanášení dalších látek a potahování
povrchu vláken.
- Nanášení látek na základě jiného fyzikálního mechanismu nebo chemickou reakcí na
povrchu.
- Úprava povrchu pomocí laseru, která opět může zlepšovat navlhavost, adhesi, potisk
tkanin a podobně.
Povrch vlákna je často také modifikován přídavkem aditiv do vlákna, které vlivem
technologických podmínek přípravy vystupují ve větší míře na povrch a mění vlastnosti
povrchu. Tak například je známo, že matování vláken přídavkem titanové běloby (TiO2) se
výrazně zvyšuje abrasivita vlákna vůči kovovým částem zpracovatelských strojů. U
polyesterových vláken bylo třeba vyvinout pro bezvřetenové předení specielní sortimenty
vláken se sníženým obsahem TiO2. Také obsah oligomerů nebo dokonce monomerů na
povrchu polyesterových nebo polyamidových vláken může ovlivnit jejich zpracovatelské
vlastnosti oděrem těchto látek při textilním zpracování.
7
prof.Ing. Jiří Militký,CSc.,doc. RNDr. Jiří Vaníček, CSc, katedra textilních materiálů, TF, TÚ Liberec
Vlastnosti vláken
Download

5. přednáška