Podstawy włóknin ĆWICZENIE 1 TEMAT: FORMOWANIE RUNA

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 1 TEMAT: FORMOWANIE RUNA Cel ćwiczenia: zapoznanie ze sposobami wytwarzania run metodą zgrzeblarkową i budową strukturalną run w zależności od metody wytwarzania. Podstawową operacją przygotowawczą w produkcji włóknin jest utworzenie włóknistego runa w postaci zagęszczonego i zorientowanego układu włókien. Zasadniczy proces tworzenia runa składa się z operacji: zgrzeblenie włókien i formowanie runa. Jednym ze sposobów tworzenia runa jest sposób mechaniczny, zwany również zgrzeblarkowym. Polega on na układaniu kilku lub kilkunastu warstw run, zdejmowanych ze zgrzeblarki, jedna na drugiej za pomocą specjalnego aparatu do krzyżowania runa lub odpowiednim odbiorze pojedynczych runek z kilku zgrzeblarek na jeden wspólny szczeblak odbierający. Zależnie od przeznaczenia wyrobu i wymaganej orientacji włókien we włókninie stosuje się różne rodzaje urządzeń warstwujących runo: 1. Układanie pojedynczych runek zgrzeblarkowych warstwami równoległymi czyli zorientowanie włókien w jednym kierunku (wzdłużnym). Jest to runo o orientacji ortotropowej (szczególny przypadek anizotropii). Wytworzone z nich włókniny charakteryzują się bardzo dobrą wytrzymałością w kierunku formowania runa. 2. Zastosowanie dwóch zgrzeblarek (w tym jednej dwuzbieraczowej) w tym przypadku między dwa runka ze zgrzeblarki dwuzbieraczowej układa się poprzecznie runko ze zgrzeblarki ustawionej prostopadle. System ten charakteryzuje się poprzeczną orientacją włókien, co daje lepszą wytrzymałość późniejszej włókninie w kierunku wzdłużnym. 3. Układanie poprzeczne polega na układaniu runka zgrzeblarkowego na szczeblaku odbierającym usytuowanym pod kątem <90º w stosunku do zgrzeblarki. Może się to odbywać za pomocą układacza pionowego lub poziomego. Na układaczu poziomym przenośnik doprowadzający przekazuje runko na przenośnik pośredni (kompensacyjny) o ruchu posuwisto-zwrotnym. Przy przesuwie w stronę zgrzeblarki gromadzi runko, a w kierunku przeciwnym oddaje na przenośnik układający, który przesuwając się i obracając układa runko na przenośniku odbierającym. 1. Ocena wpływu masy zasilania na masę powierzchniową tworzonego runa. 2. Ocena wpływu rodzaju włókien na masę powierzchniową runa. 3. Ocena nierównomierności masy powierzchniowej wytworzonych run. I GRUPA Maszyna: zgrzeblarka z odbiorem bębnowym Zasilanie: 20 g na pole szczeblaka zasilającego x 4 50 g na pole szczeblaka zasilającego x 4 Surowiec: poliester PES 3,3 dtex poliester PES 18,0 dtex Wytworzyć 1 runko z każdego wariantu stosując 14 nawinięć na bęben odbierający. II GRUPA Maszyna: zgrzeblarka z układaczem poziomym Zasilanie: 20 g na pole szczeblaka zasilającego x 4 50 g na pole szczeblaka zasilającego x 4 Surowiec: poliester PES 3,3 dtex poliester PES 18,0 dtex Wytworzyć 1 runko z każdego wariantu. Z każdego runka wyciąć po 6 próbek wg szablonu Z każdego runka wyciąć po 6 próbek wg szablonu 15 x 16 cm. 15 x 16 cm. a) Narysować schemat technologiczny zgrzeblarki. b) Wyznaczyć masę powierzchniową m p (g/m 2 ) wytworzonych run. c) Obliczyć nierównomierność V (%) masy powierzchniowej runa ( m m) 2 i s s =, g V = 100% n 1 m d) Określić masę powierzchniową pojedynczego runka schodzącego ze zgrzeblarki. e) Wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań.

2 ĆWICZENIE 2 TEMAT: WYTWARZANIE WŁÓKNIN IGŁOWANYCH Cel ćwiczenia: zapoznanie z technikami igłowania runa i głównymi parametrami igłowania, oraz z ich wpływem na właściwości włóknin igłowanych; budowa igieł przetykowych. Jedną z technik wytwarzania włóknin jest technika igłowania runa. Runo wytworzone systemem zgrzeblarkowym składa się z wielu warstw pojedynczych run, które są ze sobą powiązane siłami sczepliwości głównie w płaszczyźnie poziomej. W płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni runa połączone są głównie siłami przylegania, co powoduje skłonność do rozwarstwiania się runa i decyduje o małej odporności mechanicznej. Aby spowodować powiązanie włókien w płaszczyźnie prostopadłej, należy zmienić strukturę runa, stosując proces igłowania. Igłowanie może być procesem podstawowym lub dodatkowym. Proces igłowania na maszynie igłującej polega na przeciąganiu włókien w runie za pomocą specjalnych igieł przetykowych o wielokierunkowych nacięciach, pod działaniem których następuje przesuwanie włókien w kierunku poprzecznym do płaszczyzny runa i związanie w ten sposób poszczególnych warstw runa. Podczas przesuwania włókien w runie następuje ich wzajemne spętlenie, co powoduje zagęszczenie runa (tj. wzrost masy właściwej) i prowadzi do uzyskania trójwymiarowej struktury, dając w efekcie mechaniczne wzmocnienie runa. Podstawowymi parametrami procesu igłowania są: a) Gęstość przeigłowań (liczba przeigłowań) / cm 2 liczba przekłuć igły przetykowej na 1 cm 2 wyrobu; decyduje ona o zagęszczeniu włókniny, jego masie właściwej oraz własnościach wytrzymałościowych. b) Głębokość igłowania określa jaki odcinek części roboczej igły wchodzi w runo i ile nacięć igły bierze udział w procesie igłowania. W technologii igłowania stosuje się zasadę używania grubych igieł do grubych włókien i cienkich igieł do cienkich włókien. 1. Ocena wpływu liczby przeigłowań na masę powierzchniową wytworzonych włóknin. 2. Porównanie masy właściwej włóknin przy różnych wariantach igłowania. 3. Ocena wpływu liczby przeigłowań na przepuszczalność powietrza włóknin igłowanych. Maszyna: zgrzeblarka z układaczem poziomym + igłowarka. Zasilanie: 30 g na pole szczeblaka zasilającego Surowiec: poliester PES 3,3 dtex Parametry igłowania: głębokość igłowania 12 mm, liczba przeigłowań: igłowanie wstępne 40 / cm 2 igłowanie właściwe: a) 60 (Σ100) / cm 2 b) 100 (Σ 200) / cm 2 c) 100 (Σ 300) / cm 2 Wytworzyć 1 runko na układaczu poziomym i przeigłować je wg parametrów jw. a) Narysować schemat technologiczny maszyny igłującej. b) Wyznaczyć masę powierzchniową m p (g/cm 2 i g/m 2 ) wytworzonych włóknin i obliczyć jej nierównomierność V m (%). c) Wyznaczyć średnią grubość d w (6 pomiarów) włóknin przy pomocy grubościomierza i obliczyć jej nierównomierność V d (%). m p 3 d) Wyznaczyć gęstość pozorną (masę właściwą) włóknin: ς =, g / cm. d P e) Wyznaczyć (6 pomiarów) przepuszczalność powietrza włóknin P (l/m 2. s): W = 2, 778 k A dm 3 /m 2 s n 273,2 + t 1 k = 1,859 W = p n i= 1 gdzie: k wsp. zależny od warunków atmosferycznych (t temp. powietrza, ºC, p ciśnienie barometryczne, hpa), W średni wydatek powietrza dla badanego wyrobu, l/h (odczytany na aparacie), A powierzchnia czynna uchwytu, przez którą przepływa powietrze, cm 2. f) Wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań. w W i l/h

3 ĆWICZENIE 3 TEMAT: WYTWARZANIE WŁÓKNIN KLEJONYCH PŁYNNYM ŚRODKIEM WIĄŻĄCYM Cel ćwiczenia: zapoznanie z wszystkimi etapami i parametrami technologicznymi procesu klejenia run i włóknin metodą napawania oraz stosowanymi środkami wiążącymi.. Jednym ze sposobów wytwarzania włóknin klejonych płynnym środkiem wiążącym jest metoda napawania. Proces ten składa się z pięciu operacji: 1. formowanie włóknistego runa 2. napawanie runa płynnym środkiem wiążącym (lepiszczem) 3. usunięcie nadmiaru lepiszcza 4. suszenie 5. dogrzewanie. Ad.1. Formowanie runa odbywa się metodą zgrzeblarkową. Ad.2. Napawanie runa polega na pełnym zanurzeniu runa w przygotowanej kąpieli środka wiążącego o określonym stężeniu, na który mają wpływ: Czas przebywania runa w kąpieli napawającej zależny od: - prędkości wchłaniania środka wiążącego (wypełnienie wszystkich przestrzeni i porów runa), a ta z kolei zależy od stężenia dyspersji, wielkości cząsteczek polimeru, napięcia powierzchniowego dyspersji i rodzaju włókien; - masy powierzchniowej runa (dla małych mas kilka do kilkunastu sekund, dla mas g/m 2 do 35 sekund). Stężenie kąpieli napawającej oraz jej poziom w napawarce w trakcie napawania zmniejsza się ilość kąpieli oraz wzrasta jej stężenie na skutek łatwiejszego przenikania do runa cząstek wody niż środka wiążącego; zachodzi konieczność uzupełniania kąpieli napawającej i jej ciągłego mieszania. Ad.3. Usunięcie nadmiaru lepiszcza nadmiar wprowadzonej do runa kąpieli wiążącej usuwany jest w procesie odżęcia wałkami odżymającymi lub podciśnieniem. Ilość usuwanej kąpieli zależy od nacisku wału wyżymającego na runo, który jest regulowany w zależności od masy powierzchniowej runa, rodzaju i stężenia środka wiążącego oraz przeznaczenia włókniny i wynosi kn/m. Górne wartości stosuje się przy włókninach o małej masie powierzchniowej oraz w przypadku kąpieli o dużym stężeniu. Ważne jest równomierne rozmieszczenie środka wiążącego, a jego zawartość we włókninie to 40 60%. Zawartość poniżej 40% może pogorszyć równomierność jego rozmieszczenia, szczególnie dla mas powierzchniowych > 80 g/m 2. Ad.4. Suszenie runo po odżęciu zawiera około % wody, którą należy usunąć w procesie suszenia. Intensywność suszenia zależy od ilości doprowadzonego ciepła i polega na odparowaniu wody z materiału i usunięciu jej na zewnątrz środowiska. W trakcie suszenia wraz z ruchem wody przemieszczają się cząstki środka wiążącego ( migracja środka wiążącego). Zjawisko to nasila się przy suszeniu run o większej grubości. Zjawisko migracji jest niekorzystne z punktu widzenia prawidłowego rozmieszczenia lepiszcza we włókninie. Dlatego stosuje się początkowo suszenie w niższej temperaturze (~50ºC), by woda wolno odparowywała, a po odparowaniu 2/3 wody podnosi się temperaturę do 105ºC. Obniża to jednak wydajność suszarki. Stosując lateksy najodpowiedniejszą temperaturą jest zakres ºC, co daje wyroby o najlepszych właściwościach wytrzymałościowych, odpornych na mięcie i rozwarstwianie. Ad.5. Dogrzewanie to końcowa obróbka włókniny. Ma na celu stworzenie mocnych i trwałych wiązań miedzy środkiem wiążącym a włóknem. Jest to ostateczny proces kondensacji i usieciowania środka wiążącego. Generalną zasadą dogrzewania jest ograniczenie do minimum wysokości temperatury oraz czasu trwania procesu.

4 1. Symulacja techniki napawania runa w warunkach laboratoryjnych. 2. Ocena wpływu czasu napawania na zawartość środka wiążącego we włókninach. Maszyna: zgrzeblarka z układaczem poziomym. Zasilanie: 30 g na pole szczeblaka zasilającego. Surowiec: wiskoza (4,6 dtex, 60 mm), lateks LBSK %. Kąpiel napawająca: 10% (2 litry, w tym 400 g lateksu). Czas napawania: 10 s, 30 s, 60 s. Liczba próbek: po 2 dla każdego czasu napawania. Wytworzyć 1 runko na układaczu poziomym. Przeigłować runko: igłowanie wstępne 40 przeigł/cm 2. Z arkusza włókniny wyciąć 6 próbek wg szablonu 20 x 22 cm. Przygotować kąpiel napawającą. Wykonać napawanie, usunięcie nadmiaru lepiszcza, suszenie (100ºC, 2 min) i dogrzewanie (, 2 min). a) Wyznaczyć masę powierzchniową m p1 (g/cm 2 ) włókniny przed procesem napawania. b) Wyznaczyć przepuszczalność powietrza włókniny P 1 (l/cm 2. s) przed procesem napawania. c) Wyznaczyć masę powierzchniową m p2 (g/cm 2 ) włókniny po procesie napawania. d) Oznaczyć zawartość środka wiążącego w wytworzonych włókninach: Z w = m p2 m p1 e) Wyznaczyć przepuszczalność powietrza włóknin P 2 (l/cm 2. s) po procesie napawania. f) Wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań.

5 ĆWICZENIE 4 TEMAT: WYTWARZANIE WŁÓKNIN TERMOPLASTYCZNYCH PUSZYSTYCH Cel ćwiczenia: zapoznanie z technologią wytwarzania włóknin z udziałem włókien termoplastycznych, opartej na wykorzystaniu właściwości wykurczania się włókien termoplastycznych w wyniku obróbki termicznej, oraz z właściwościami włóknin termoplastycznych puszystych. W technologii włóknin wytwarzanych z udziałem włókien termoplastycznych wyróżnia się dwie podstawowe metody produkcji. Pierwsza opiera się na wykorzystaniu właściwości wykurczania się włókien termoplastycznych i służy do wytwarzania włóknin puszystych o stosunkowo luźnej strukturze (termofilce). Druga wykorzystuje właściwości sklejające włókien termoplastycznych, po doprowadzeniu ich do stanu topnienia pod wpływem odpowiedniej temperatury, nacisku elementów prasujących (prasy, kalandra), co prowadzi do otrzymania włóknin płaskich o zagęszczonej strukturze włókien. W wyniku obróbki termicznej włókien termoplastycznych zachodzi ich kurczenie się. Wielkość tego efektu zależy od temperatury, czasu, środowiska obróbki i innych czynników. Zmiana wymiarów liniowych włókna zachodzi na skutek ogólnych zmian orientacji elementów strukturalnych. Rozpoczęcie przemiany odbywa się z chwilą osiągnięcia przez włókno temp. zeszklenia, a kończy się w temp. topnienia. W polimerach amorficznych całkowity skurcz włókna następuje już po przekroczeniu temp. zeszklenia T z, natomiast w polimerach częściowo krystalicznych całkowity skurcz zostaje osiągnięty dopiero po przekroczeniu temp. mięknienia T m. Podczas produkcji termoplastycznych włóknin puszystych włókna termoplastyczne zachowują swoją postać. W wyniku skurczenia następuje wzrost grubości włókien, co powoduje zmianę takich właściwości jak: wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, sztywność, sprężystość itp. Do wytwarzania włóknin termoplastycznych puszystych stosuje się zazwyczaj włókna termoplastyczne o długościach mm i grubości 1,6 33,4 dtex. W puszystej włókninie termoplastycznej rozróżnia się dwa układy włókien: włókna termoplastyczne nazywane włóknami wiążącymi oraz włókna nie termoplastyczne nazywane włóknami wypełniającymi. W wyniku wykurczania następuje połączenie włókien termoplastycznych z włóknami wypełniającymi. Wraz z wykurczaniem runa i zmniejszaniem się jego powierzchni zachodzi wzrost grubości i gęstości runa oraz splątanie włókien wypełniających, powodowane przesuwem i skurczem włókien termoplastycznych. Powiązanie włókien występuje głównie w płaszczyźnie poziomej do powierzchni włókniny, natomiast w płaszczyźnie prostopadłej jest niewielkie (co powoduje skłonność do rozwarstwiania się włókniny). Jest to związane ze sposobem wytwarzania runa, czyli z ułożeniem włókien. Aby zwiększyć powiązanie włókien w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni włókniny, należy zmienić strukturę runa np. przez zastosowanie wstępnego igłowania. Skurczenie powierzchni runa o wzdłużnym ułożeniu pojedynczych runek zachodzić będzie przy dużym zmniejszeniu jego długości i bardzo niewielkim zmniejszeniu szerokości. Natomiast runa uformowane na układaczach poziomych będą wykazywały wyraźne skurczenie w szerokości. Efekt wykurczania runa zależy od: - temperatury nagrzewania (jest ona inna dla różnego rodzaju włókien), - czasu nagrzewania (zależy od masy powierzchniowej runa; zbyt długi czas może powodować nadtapianie włókien), - rodzaju włókien termoplastycznych, - rodzaju włókien wypełniających, - składu procentowego mieszanki, - równomierności wymieszania, - środowiska wykurczania. Najwyższy stopień skurczenia i zagęszczenia runa osiąga się przy dostatecznie długich (~80 mm) włóknach wiążących i krótkich włóknach wypełniających (~25 mm).

6 1. Wytworzenie włóknin termoplastycznych puszystych. 2. Ocena stopnia skurczu włóknin puszystych w funkcji parametrów technologicznych. Maszyna: zgrzeblarka z odbiorem bębnowym Zasilanie: 30 g na pole szczeblaka zasilającego Skład mieszanki: 20% włókien BICO (4,6 dtex, 59 mm) i 80% włókien PES (3,3 dtex, 38 mm) 35% włókien BICO (4,6 dtex, 59 mm) i 65% włókien PES (3,3 dtex, 38 mm) Wytworzyć po 1 runku dla każdej mieszanki stosując po około 15 nawinięć na bęben odbierający. Każde runko podzielić na 4 części (zaznaczyć kierunek). Ustalić wymiary próbek (długość, szerokość). Obróbka termiczna: czas i temp. i a) Wyznaczyć masę powierzchniową m p (g/cm 2 i g/m 2 ) runa i włóknin (przed i po obróbce termicznej). b) Wyznaczyć gęstość pozorną (masę właściwą) włóknin po obróbce termicznej. c) Wyznaczyć stopień skurczenia (liniowy i powierzchniowy) runa. A0 A1 l0 l1 b0 b1 S p = 100%, S d = 100%, S sz = 100% A l b 0 0 gdzie: S p stopień skurczenia powierzchni runa, S d stopień skurczenia długości runa, S sz stopień skurczenia szerokości runa, A 0, l 0, b 0 powierzchnia, długość i szerokość runa przed wykurczeniem, A 1, l 1, b 1 powierzchnia, długość i szerokość runa po wykurczeniu. d) Wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań. 0 1 mieszanka 2 mieszanka

7 ĆWICZENIE 5 TEMAT: WYTWARZANIE WŁÓKNIN TERMOPLASTYCZNYCH PŁASKICH Cel ćwiczenia: zapoznanie z technologią wytwarzania włóknin z udziałem włókien termoplastycznych, opartej na wykorzystaniu właściwości sklejających włókien termoplastycznych w wyniku obróbki termicznej, oraz z właściwościami włóknin termoplastycznych płaskich. Do produkcji włóknin termoplastycznych płaskich najlepsze są włókna o właściwościach sklejających, a więc takie, które ulegają mięknieniu i topnieniu w stosunkowo niskiej temperaturze, oraz charakteryzują się dużą adhezją do włókien wypełniających. Należą do nich włókna polichlorowinylowe oraz włókna plastyfikowane octanowe. Wymiary geometryczne włókien termoplastycznych mają tu mniejsze znaczenie, jednak powinny umożliwić dobre wymieszanie ich z włóknami wypełniającymi i równomierne rozmieszczenie w runie. Zależnie od wymiarów geometrycznych tych włókien i od ich udziału procentowego w mieszance uzyskuje się w procesie wytwarzania włókninę o różnie rozbudowanych strefach sklejenia, które z kolei wpływają na cechy wyrobu jak wytrzymałość na rozciąganie, podatność na rozwarstwianie, sztywność zginania, przewiewność i inne. Do produkcji włóknin płaskich stosuje się najczęściej włókna termoplastyczne o długości mm i grubości 1,67 14,45 dtex. Włókna pod wpływem termicznego prasowania ulegają mięknieniu i zatracają swój pierwotny kształt, rozpływając się między włóknami wypełniającymi. Stosowane z kolei schłodzenie materiału prowadzi do sztywnienia termoplastycznego polimeru, a włóknina uzyskuje ostateczną strukturę i właściwości. W procesie wytwarzania włóknin termoplastycznych płaskich zasadnicze znaczenie ma: - temperatura maksymalną wytrzymałość sklejenia uzyskuje się wówczas, gdy temperatura prasowania jest wyższa od temperatury mięknienia włókien termoplastycznych, lecz niższa od temperatury, która powoduje termiczny rozkład włókien termoplastycznych i wypełniających; - wielkość stosowanego nacisku elementów prasujących wielkość nacisku wpływa na wytrzymałość i gęstość włókniny nacisk dobierany jest do właściwości klejących i wykurczających włókien termoplastycznych i masy powierzchniowej runa; - czas trwania prasowania musi być dostatecznie długi, aby ciepło dotarło do wszystkich warstw runa i doprowadziło włókna termoplastyczne do temperatury mięknienia, ale aby nie nastąpił ich rozkład kilka, kilkanaście sekund; - rodzaj włókien i udział % włókien termoplastycznych w mieszance. 1. Wytworzenie włóknin termoplastycznych płaskich. 2. Ocena jakościowa włóknin płaskich w funkcji parametrów technologicznych. Maszyna: zgrzeblarka z odbiorem bębnowym. Zasilanie: 60 g na pole szczeblaka zasilającego. Skład mieszanki: 50% włókien PP (5 dtex, 60 mm) i 50% włókien PES (3,3 dtex, 38 mm) 70% włókien PP (5 dtex, 60 mm) i 30% włókien PES (3,3 dtex, 38 mm) Wytworzyć runko stosując około 15 nawinięć na bęben odbierający. Wstępnie przeigłować runko (40 przeigł/cm 2 ). Wyciąć po 9 próbek dla każdego składu mieszanki wg szablonu 15 x 16 cm. Obróbka termiczna: czas, temp. 130ºC. Nacisk prasowania: 50 kg/cm 2, 100kG/cm 2 i 150 kg/cm 2 a) Wyznaczyć masę powierzchniową m p (g/cm 2 ) włóknin (przed i po prasowaniu). b) Wyznaczyć gęstość pozorną (masę właściwą) włóknin (przed i po prasowaniu). c) Wyznaczyć przepuszczalność powietrza włóknin P (l/cm 2. s) (przed i po prasowaniu). d) Wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych badań.