CAPITOLUL VI PROPRIETĂŢI MECANICE - tex.tuiasi.ro. Dr. Ing. Demetra... · Rezistenţa la rupere...

Proprietăţi mecanice

129

CAPITOLUL VI PROPRIETĂŢI MECANICE

Una din condiţiile de bază cerute fibrelor textile este de a prezenta o rezistenţă mecanică suficient de mare, care să permită transformarea lor în produse textile şi totodată să confere durabilitate produselor finite. În timpul prelucrării fibrele sunt supuse la diferite solicitări mecanice, care nu se pot evita, dar a căror mărimi se pot controla prin reglarea corespunzătoare a parametrilor de lucru (viteze, ecartamente, forţe de apăsare pe cilindrii trenului de laminat etc.). De fapt, valorile parametrilor de lucru ai operaţiilor din filatură se adoptă astfel încât să se obţină semifabricate uniforme la producţii cât mai mari, care să asigure o cât mai bună conservare a proprietăţilor fibrelor.

VI.1. SOLICITAREA DE TRACŢIUNE Solicitarea cea mai frecventă la care sunt supuse fibre în timpul prelucrării acestora, precum şi în timpul utilizării produselor finite este cea de tracţiune. Solicitarea de tracţiune provoacă întotdeauna o deformaţie pe direcţia de solicitare. Forţele de tracţiune la care sunt supuse fibrele în timpul prelucrării, sau utilizării sunt, de cele mai multe ori mai mici decât cele de rupere, dar pot provoca deformaţii ireversibile pronunţate. Asemenea deformaţii apar chiar după o primă solicitare, sau mai ales după solicitări repetate. În ambele cazuri mărimea lor este dependentă de timpul solicitării.

Fiecare tip de fibră se caracterizează printr-un anumit mod de comportare la tracţiune, care trebuie cunoascut foarte bine pentru nu distruge parţial sau chiar total fibrele înainte de a le introduce în structura produsului finit. De asemenea, cunoşterea tuturor aspectelor cu privire la comportarea la tracţiune a fibrelor permite stabilirea celui mai adecvat amestec fibros, care să confere produsului finit proprietăţile impuse de domeniul de utilizare al produsului.

Fibre textile

130

VI.1.1. Rezistenţa şi deformaţia la rupere.

Mărimi şi indici de apreciere

Deşi nu există o corelaţie general valabilă între rezistenţa de rupere la tracţiune şi celelalte caracteristici prin care se apreciază comportarea la tracţiune a fibrelor, rezistenţa şi alungirea la rupere sunt şi vor rămâne indicatorii de bază pentru aprecierea calităţii fibrelor.

VI.1.1.1. Rezistenţa la rupere

În timpul solicitării la tracţiune fibrele opun o rezistenţă a cărei valoare maximă se înregistrează în momentul ruperii.

Rezistenţa la rupere se apreciază prin mărimea forţei de rupere, sau prin indici specifici, respectiv prin rezistenţă specifică, tenacitate sau lungime de rupere. La fibrele de aceeaşi natură şi cu aceeaşi structură, mărimea forţei de rupere este dependentă de grosimea fibrei. Valorile indicilor specifici nu depind de grosimea fibrelor analizate, deci utilizarea lor face posibilă compararea rezistenţei la tracţiune a fibrelor care nu sunt de aceleaşi grosimi.

Forţa de rupere (Fr) reprezintă mărimea forţei de tracţiune, care aplicată axial fibrei provoacă ruperea acesteia; forţa de rupere se exprimă în cN/fibră, iar mărimea ei este dependentă de grosimea fibrei.

Rezistenţa specifică (σA) reprezintă raportul dintre forţa de rupere (Fr) a unei fibre şi aria secţiuni transversale (A) a fibrei considerate:

AFr

A =σ (cN/mm2)

Acest indicator este rar utilizat pentru aprecierea rezistenţei la tracţiune a fibrelor, sau firelor textile datorită neuniformităţii mărimii şi formei secţiunii transverale, cât şi datorită metodelor anevoioase de determinare a ariei secţiunii transversale. Dar, aria secţiunii transversale a unei fibre este direct proporţională cu densitatea de lungime a acesteia. Din motivele expuse, în industria textilă, în loc de rezistenţă specifică se utilizează frecvent tenacitatea şi lungimea de rupere.


131

Tenacitatea (σ) reprezintă raportul dintre forţa de rupere (Fr) şi densitatea de lungime exprimată în tex (Ttex), sau denier (Tden):

tex

rtex T

F=σ (cN/tex), respectiv

den

rden T

F=σ (cN/den)

Între σA, σtex şi σden, se pot stabili relaţii de conversie. Astfel, înlocuind în relaţia de definiţie a tenacităţii densitatea

de lungime (Ttex) cu expresia acesteia în funcţie aria secţiunii transversale (A) şi densitate (ρ):

)/()(1000 32 cmgmmATtex ρ⋅⋅= , rezultă:

)/()/(

)/()()(

)/()(1000)()(

3

2

22

32

cmgmmdaN

cmgmmAdaNF

cmgmmAcNF

TcNF

Ar

r

tex

rtex

ρσ

ρ

ρσ

=⋅

=

=⋅⋅

==

Deci: ρ

σσ Atex =

unde: σtex – tenacitatea exprimată în cN/tex; σA – rezistenţa specifică, daN/mm2;

ρ – densitatea, g/cm3. De asemenea, cunoscându-se relaţia dintre densitatea de

lungime exprimată în tex, şi respectiv cea exprimată în denier:

texden TT ⋅= 9 , se obţine : 9tex

denσ

σ =

Lungimea de rupere (LR) este definită ca lungimea ipotetică

de fibră care provoacă ruperea acesteia sub acţiunea propriei greutăţi. Acest indicator se calculează cu relaţia:

1000r

RFNmL ⋅

= (km),

Fibre textile

132 în care: Nm – fineţea fibrei; Fr – forţa de rupere, cN.

Pentru a demonstra această relaţie de calcul, se consideră o fibră de fineţe Nm şi lungime L care se rupe sub acţiunea propriei greutăţi. În acest caz, asupra fibrei a acţionat o forţă de rupere a cărei valoare exprimată în cN este numeric egală cu masa în grame a fibrei de lungimii L. Deci, lungimea L reprezintă lungimea de rupere LR a fibrei considerate, iar valoarea masei indică valoarea forţei de rupere:

)()( mLmL R→

)()( cNFgM r→

Plecând de la relaţia de definiţie a numărului metric (Nm) şi înlocuind masa şi lungimea cu expresiile lor echivalente, se obţine:

)()(

)()(

cNFmL

gMmLNm

r

R==

de unde rezultă că:

)()( cNFNmmL rR ⋅= , sau

1000)()( cNFNmkmL r

R⋅

=

Deoarece Nm

Ttex1000

= , rezultă că lungimea de rupere

exprimată în km este egală numeric cu tenacitatea exprimată în cN/tex.


133

VI.1.1.2. Alungirea la rupere

Orice corp sub acţiunea unei forţe de tracţiune, suficient de mare, se deformează, în sensul măririi dimensiunii pe direcţia de acţiune a forţei. Fenomenul este cunoscut sub denumirea de alungire.

Dacă o fibră (fig. VI.1), de lungime iniţială l0 este solicitată pe direcţia axei cu o forţă de tracţiune F mai mică decât cea de rupere Fr, atunci ea se deformează longitudinal, lungimea ei devenind l1.

Deformaţia longitudinală, sau alungirea se poate aprecia prin alungire absolută, alungire specifică şi prin alungire relativă.

Alungirea absolută (Δl) reprezintă diferenţa dintre lungimea fibrei deformate (l1) şi lungimea iniţială a fibrei (l0):

01 lll −=Δ (mm)

Alungirea specifică (ε’), mărime adimensională reprezintă raportul dintre alungirea absolută (Δl) şi lungimea iniţială a fibrei (l0):

0

01

0

,

lll

ll −

=Δ

=ε

Alungirea relativă (ε) reprezintă creşterea lungimii (Δl) exprimată în procente faţă de lungimea iniţială (l0):

1001000

01

0⋅

−=⋅

Δ=

lll

llε (%)

l0 l1

F<Fr

Fig. VI.1. Reprezentarea schematică a deformaţiei unei fibre

sub acţiunea unei forţe de

Fibre textile

134 Dacă forţa deformatoare este cel puţin egală cu forţa de rupere, atunci deformaţia care se înregistrează în momentul ruperii poartă denumirea de alungire la rupere.

Alungirea la rupere se apreciază prin aceeaşi indicatori şi se calculează cu relaţii similare celor prezentate anterior:

0lll rr −=Δ (mm)

0

0

0

,

lll

ll rr

r−

=Δ

=ε

1001000

0

0⋅

−=⋅

Δ=

lll

ll rr

rε (%)

în care: Δlr, – alungirea absolută la rupere, εr’ – alungirea specifică la rupere εr – alungirea relativă la rupere; lr – lungimea fibrei în momentul ruperii. Forţa de rupere şi alungirea la rupere se determină simultan cu

ajutorul aparatelor de încercat la tracţiune, denumite dinamometre.

VI.1.2. Diagrama efort-deformaţie

Valorile forţei de rupere şi a sarcinii de rupere nu reflectă în totalitate modul de comportare al fibrelor la solicitări de tracţiune. Pentru o caracterizare cât mai completă se apelează la diagrame efort-deformaţie. Încercarea la tracţiune se realizează practic asupra unei anumite lungimi de fibră, lungime cuprinsă între clemele de fixare a fibrelor, cu care sunt dotate dinamometrele. Prin deplasarea uneia din cele două cleme, fibra se deformează şi totodată se opune deformaţiei cu o forţă crescătoare, a cărei valoare maximă se înregistrează în momentul ruperii. În timpul solicitării, variaţia forţei în funcţie de deformaţie poate fi redată grafic, sub forma unei curbe, folosindu-se în acest scop dinamometre echipate cu dispozitive de înregistrare. Graficele astfel obţinute poartă denumirea de diagrame efort-deformaţie, sau curbe sarcină-alungire.


135

Fig. VI.2 Diagrama efort- deformaţie

De regulă, o diagramă efort-deformaţie (fig.VI.2) este înscrisă în coordonate rectangulare, în abscisă fiind indicate valorile alungirii absolute, iar în ordonată valorile forţei.

Aşa după cum rezultă din figura VI.2, dacă se cunoaşte lungimea iniţială a probei (distanţa dintre clemele dinamometrului) şi dimensiunea transversală a fibrei (densitatea de lungime, sau aria secţiunii transversale) atunci curbele pot fi transpuse în alte coordonate. La marea majoritate a fibrelor curbele efort deformaţie prezintă o variaţie neliniară, iar forma lor fiind specifică fiecărui tip de fibră. Spre exemplificare în figura VI.3 sunt redate diagramele efort deformaţie ale principalelor fibre textile.

Fig. VI.3 Diagrame efort-deformaţie ale principalelor fibre textile

Fibre textile

136 Din diagramele efort-deformaţie se poate determina valoarea forţei şi alungirii la rupere, dar mai important este faptul că în baza lor se poate evidenţia comportarea fibrelor atunci când sunt solicitate la tracţiune cu forţe mai mici decât cele de rupere.

Principalele caracteristici care se pot determina cu ajutorul diagramei efort-deformaţie sunt:

– limitele şi zonele specifice, respectiv de proporţionalitate, de elasticitate, de curgere şi de rupere;

– lucrul mecanic de rupere, precum şi lucrul mecanic specific;

– factorul lucrului de rupere; – modulul de elasticitate.

VI.1.2.1. Zone şi limite specifice ale diagramelor Într-o diagramă efort-alungire, de formă neliniară (fig.VI.4),

se evidenţiază următoarele puncte şi zone caracteristice: – limita de proporţionalitate, punctul P (de coordonate Fp,εp); – limita de elasticitate, punctul E (de coordonate Fe,εe); – limita de curgere, punctul C (de coordonate Fc, εc); – limita de rupere, punctul R (de coordonate Fr, εr);

– zona hookiană (dreapta OP), delimitată de origine şi limita de proporţionalitate P, zonă caracterizată prin dependenţa liniară dintre forţă şi deformaţie;

– zona de elasticitate (zona I), în care este inclusă şi zona hookiană şi care se manifestă până în punctul E, numit limită de elasticitate; în această zona predomină deformaţiile elastice;

– zona de fluaj (zona II), cuprinsă între limita de elasticitate E şi limita de curgere C, este zona de curgere în care la creşteri relativ mici ale efortului se înregistrează creşteri apreciabile ale deformaţiei; la unele fibre această zonă se finalizează cu ruperea fibrei;

– zona de rupere (zona III), cuprinsă între punctele C şi R (se manifestă numai la unele fibre, cum ar fi fibrele poliesterice, poliamidice etc.), este zonă în care are loc distrucţia macroscopică a fibrei, marcată de limita de rupere R.


137

Fig. VI.4. Diagrama efort-deformaţie. Limite şi zone speficice

Poziţia în diagramă a punctelor P, E, şi C se determină prin metode grafice.

Limita de proporţionalitate (punctul P) corespunde punctului de tangenţă al diagramei cu dreapta ce trece prin origine şi a cărei direcţie coincide cu direcţia primei părţi a diagramei.

Poziţia limitelor de elasticitate şi de curgere se pot stabili prin metodele grafice Meredith sau Coplan (fig. VI.5).

a b Fig.VI. 5. Metode grafice de determinare a poziţiei limitelor

a – metoda Meredith; b – metoda Coplan Conform metodei Meredith (fig. VI.5 a), aceste puncte

corespund punctelor de tangenţă ale diagramei cu dreptele paralele cu dreapta ce uneşte originea cu punctul de rupere.

Fibre textile

138 Conform metodei Coplan (fig. VI.5 b), punctele E şi C

corespund intersecţiei dintre diagramă şi bisectoarele unghiurilor formate de dreptele trasate pe direcţia celor trei zone specifice.

VI.1.2.2. Lucru mecanic de rupere

Lucru mecanic de rupere reprezintă lucru mecanic consumat pentru deformarea fibrei până la rupere.

Grafic, lucru mecanic de rupere (L) este echivalent cu suprafaţa delimitată de curbă, abscisă şi paralela la ordonată dusă din punctul de rupere (fig. VI.6).

Lucru mecanic elementar (dL) consumat pentru deformarea fibrei cu o deformaţie elementară (dΔl) este dat de relaţia:

ldFdL Δ⋅= ,

iar lucru mecanic de rupere de relaţia:

∫ ∫Δ Δ

Δ⋅==r rl l

ldFdLL0 0

(cN.cm; cN.mm)

Fig. VI.6. Reprezentarea grafică a

lucrului mecanic de rupere

Din punct de vedere matematic, pentru a calcula valoarea lucrului de rupere ar trebui să se cunoască ecuaţia curbei şF = f(Δl) ţ. Această metodă nu se aplică, deoarece pentru fiecare fibră testată se obţine câte o curbă, iar metoda în sine este foarte anevoiasă.


139 Lucru mecanic de rupere fiind echivalent cu aria suprafeţei de sub curbă, valoarea lui se determină prin determinarea ariei respective. În acest scop se poate aplica metoda gravimetrică (desenarea suprafeţei date precum şi a unei suprafeţe de referinţă pe o hârtie omogenă, stabilirea constantei gravimetrice a hârtiei, decuparea şi stabilirea masei desenului corespunzător suprafeţei necunoscute şi în final calcularea ariei acesteia) , sau metoda planimetrării. Valoarea lucrului mecanic de rupere depinde de grosimea fibrei (prin valoarea forţei) şi de lungimea iniţială a probei (prin valoarea alungirii absolute). Pentru a compara valorile obţinute pentru fibre de diferite grosimi şi testate cu diferite distanţe între clemele dinamometrului este necesar să se determine lucru specific de rupere. Lucru specific de rupere este definit ca lucru mecanic consumat pentru ruperea unei fibre de lungime şi de densitate de lungime egală cu unitatea. Lucru specific de rupere (Ls) se calculează cu relaţia:

lTLLs ⋅

= (cN/tex; cN/dtex; cN/den)

în care: L – lucru mecanci de rupere, cN.cm; l – lungimea iniţială a probei, cm; T – densitatea de lungime, tex, dtex, sau den.

VI.1.2.3. Factorul lucrului de rupere

Factorul lucrului de rupere (f) este definit prin raportul dintre lucrul mecanic (L) consumat pentru rupere fibrei şi produsul dintre valoarea forţei (Fr) şi alungirii absolute corespunzătoare limitei de rupere (Δlr), produs care reprezintă lucrul mecanic teoretic:

rr lFLfΔ⋅

=

Deoarece valorile lucrului mecanic real şi respectiv a lucrului mecanic teoretic sunt proporţionale cu suprafeţele ORΔlr şi OFrRΔlr (fig. VI.7), valoarea factorului se poate calcula ca raport al ariilor suprafeţelor menţionate.

Fibre textile

140

Fig. VI.7. Reprezentarea grafică a

lucrului mecanic real (L) şi a lucrului teoretic (Fr.Δlr)

Mai simplu, prin aplicarea metodei gravimetrice, factorul lucrului mecanic se poate calcula ca raport al maselor hârtiei omogene pe care s-au efectuat desenele:

2

1

MM

lRariaOFlariaOR

lFLf

rr

r

rr=

ΔΔ

=Δ⋅

=

în care: M1 – masa hârtiei corespunzătoare ariei ORΔlr; M2 – masa hârtiei corespunzătoare ariei OFrRΔlr. Prin aplicarea metodei gravimetrice valoarea factorului de

rupere se determină foarte repede şi precis, fără a fi necesară în acest scop o dotare specială. Iar, dacă se cunoaşte valoarea factorului de rupere atunci se simplică foarte mult calculul lucrului mecanic de rupere. În acest caz valoarea lucrului mecanic de rupere (L) se determină aplicând relaţia:

rr lFfL Δ⋅⋅= (cN.cm)

în care: f – factorul de rupere; Fr – forţa de rupere, cN;

Δrl – alungirea la rupere, cm.

Factorul lucrului de rupere este o mărime adimensională, care indică capacitatea de deformare a unei fibre.


141 Se consideră trei fibre care nu se deosebesc prin valorile

forţelor şi alungirilor la rupere, dar a căror aliură a diagramelor este diferită (fig. VI.8).

Fig. VI.8. Factorul lucrului de rupere

1, 2, 3 diagrame F-Δl pentru trei tipuri de fibre cu valori

diferite a factorului lucrului de rupere

Diagrama fibrei 2 este o linie dreaptă, diagrama fibrei 1 este plasată deasupra linie drepte, iar diagrama fibrei 3 este plasată sub linia dreaptă. Deşi cele trei fibre nu se deosebesc prin proprietăţile tensionale de rupere, este clar că ele se vor comporta diferit atunci când vor fi solicitate cu forţe mai mici decât cele de distrugere.

Astfel, supuse la aceeaşi forţă de tracţiune F1 ele suferă alungiri diferite, cel mai mult se deformează fibra 3. Este posibil ca deformaţia acestei fibre să se plaseze în domeniul deformaţiilor plastice, în timp ce deformaţia fibrei 1 să corespundă domeniului elastic.

Comportarea diferită a celor trei fibre poate fi pusă în evidenţă prin factorul lucrului de rupere, a căror valori se deduc din reprezentarea schematică din figura 8 şi anume:

– pentru fibra 2, f = 0,5 – pentru finbra 1, f > 0,5; – pentru fibra 3, f < 0,5

În practică se preferă fibre care suferă deformaţii mici la eforturi relativ mari, deci cele care se caracterizează prin valori mari ale factorului lucrului de rupere.

Fibre textile

142

VI.1.2.4. Modulul de elasticitate longitudinal

Modulul de elasticitate, sau modulul Young, este o caracteristică de material. Conform legii Hooke deformaţia specifică a unui corp elastic este proporţională cu rezistenţa (forţa) specifică, factorul de proporţionalitate fiind inversul modulului de elasticitate:

AF

Ell

⋅=Δ 1 , sau

EAσε =

în care: ε=Δll – deformaţia specifică;

E – modulul de elasticitate;

AAF σ= – forţa specifică;

A – aria secţiunii transversale.

Deoarece grosimea fibrelor şi firelor textile rareori se apreciază prin aria secţiunii transversale, în acest scop folosindu-se cel mai adesea densitatea de lungime, pentru produsele menţionate legea lui Hooke este de forma:

Etexσε = , sau

Edenσε =

de unde rezultă că:

εσ texE = (cN/tex), sau

εσ denE = (cN/den)

în care: σtex – tenacitatea exprimată în cN/tex, σden – tenacitatea exprimată în cN/den; ε – deformaţia specifică, mărime adimensională.

În cazul solicitării la tracţiune a fibrelor această lege se respectă numai pentru forţe mici de solicitare, respectiv până la limita de proporţionalitate, zonă în care diagrama este o linie dreaptă (fig.VI.9).


143

Fig. VI.9. Reprezentarea

schematică a determinării modulului de

elasticitate

Pentru a calcula valoarea modulului de elasticitate a unei fibre

este necesar să se traseze diagrama efort-deformaţie şi să se determine valorile deformaţiei şi a efortului pentru un punct din zona de proporţionalitate a diagramei. Pentru diagrama prezentată în figura VI.9 modulul de elasticitate se calculează cu relaţia:

1

1

εσ

=E

Pentru unele fibre zona de proporţionalitate este mică comparativ cu celelalte zone, din care cauză se introduc erori la citirea direct din diagramă a valorilor σ1 şi ε1.

Pentru a evita introducerea erorilor şi a uşura determinările practice se apelează la o altă definiţie a modulului de elasticitate al fibrelor.

Astfel, dacă se consideră că ε1 = 1, adică Δl = l, deci fibra a suferit o deformaţie de 100 %, atunci E = σ1. În acest caz modulul de elasticitate poate fi definit ca fiind valoarea efortului care provoacă o deformaţie egală cu lungimea iniţială a probei, cu condiţia ca deformaţia să fie proporţională cu efortul.

În baza acestei definiţii, valoarea modulului de elasticitate se poate determina prin prelungirea liniei de porporţionalitate a diagramei şi citirea efortului de pe această linie care corespunde

Fibre textile

144 deformaţiei de 100 %. Şi această metodă grafică este greu de aplicat practic din care cauză cel mai frecvent se determină efortul corespunzător deformaţiei de 1%, 10% sau pentru alte valori, multiplicându-se corespunzător valoarea obţinută.

Concret, după cum rezultă din exemplu prezentat în figura VI.9, după stabilirea valorii efortului corespunzător deformaţiei de 10 %, modulul de elasticitate se calculează cu relaţia:

10%)10( ⋅= =εσE

Fig. VI.10. Reprezentarea

schematică a determinării

modulului de elasticitate

Dacă diagrama (fig. VI.10) este prezentată în coordonate F (forţă, în cN) şi Δl (alungire absolută, în mm) şi se cunosc lungimea iniţială a probei (l, în mm ) precum şi densitatea de lungime a fibrei (titlul – T în tex, dtex sau denier), sau aria secţiunii transversale a acesteia (A, în mm2), atunci pentru calculul modulului de elasticitate se pot aplica relaţiile:

1

1

lAlFE

Δ⋅⋅

= (cN/mm2), sau

1

1

lTlFEtex Δ⋅

⋅= (cN/tex; cN/dtex; cN/den)

în care F1, Δ1 reprezintă forţa, respectiv alungirea absolută corespunzătoare unui punct din zona de proporţionalitate a diagramei.


145 Ca şi în exemplul precedent, mai comod este să se stabilească

valoarea forţei corespunzătoare deformaţiei de 10 % (F(ε=10 %)) şi să se calculeze modulul de elasticitate cu una din relaţiile:

10%)10( ⋅= =

TF

Etexε (cN/tex; cN/dtex; cN/den)

10%)10( ⋅= =

AF

E ε (cN/mm2)

VI.1.3. Metode şi aparate pentru determinarea proprietăţilor tensionale

Pentru determinarea proprietăţilor tensionale ale fibrelor se

folosesc două metode: – metoda fibrei individuale, metodă care presupune

solicitarea la tracţiune a unei singure fibre; – metoda în fascicul, metodă care presupune solicitarea la

tracţiune a unui mănunchi de fibre, special pregătit. Prima metodă, metoda solicitării fibrei individuale este o

metodă precisă, reproductibilă, oferă posibilitatea înregistrării diagramei efort-deformaţie, dar nu este operativă. Metoda presupune efectuarea unui număr mare de încercări.

Metoda în fascicul se caracterizează prin operativitate mai mare, dar prezintă dezavantajul că se introduc erori datorită ruperii nesimultane a fibrelor.

Aparatele destinate încercărilor de tracţiune poartă denumirea de dinamometre şi sunt astfel concepute încât să deservească o anumită metodă. Unele, în special cele pentru solicitarea fibrelor în formă de fascicul sunt destinate unui anumit tip de fibră.

La toate aparatele încercările trebuie să se efectueze prin respectarea normelor metrologice şi a recomandărilor indicate de către constructorul aparatului.

Fibre textile

146 Dinamometrul cu pendul Există foarte multe tipuri constructive de aparate de încercat la

tracţiune care funcţionează pe principiul pendului. Ele pot fi destinate solicitării fibrei individuale sau solicitării în fascicul. La aparatele destinate solicitării fibrei individuale se pot înregistra diagrame efort-deformaţie pe baza cărora se pot calcula parametri de deformabilitate.

Dinamometrele cu pendul prezintă dezavatajul că se introduc erori datorită inerţiei pendulului. Schema de principiu a unui asemenea aparat este prezentată în figura VI.11.

Fig. VI.11. Schema de principiu

a dinamometrului cu pendul 1, 2 – cleme; 3 – sistem de

acţionare a clemei; 4 – proba; 5 – ac indicator;

6 – greutate; 7 – pendul; 8 – punct de oscilaţie;

9 – scala forţelor.

Proba 4, pretensionată în prealabil, se fixează între clemele 1 şi 2 ale aparatului. Clema 2, acţionată de sistemul 3, coboară şi supune proba la o solicitare de tracţiune cu o forţă F, care prin intermediul clemei 1 determină rotirea pendului 7 în jurul articulaţiei fixe 8. Prin această rotire, braţul x al forţei G (greutatea ataşată la pendul) creşte continuu, ceea ce determină creşterea continuă a forţei de tracţiune F la care este supusă proba. Proba se opune solicitării cu propria ei rezistentă, de aceeaşi valoare cu forţa F, dar de sens contrar. Valoarea forţei F care se înregistrează în momentul ruperii reprezintă forţa de rupere Fr a probei. Valoarea ei este indicată de acul indicator 5 pe scala gradată 9.


147 Dacă se consideră că proba s-a rupt după rotirea pendulului cu

unghiul ϕ faţă de poziţia iniţială, atunci se poate scrie:

xGbFr ⋅=⋅ , dar ϕsin⋅= ax , rezultă:

baGFr

ϕsin⋅⋅=

Deoarece, pentru un anumit aparat, dimensiunile a şi b sunt constante, rezultă că valoarea forţei de rupere a probei este dependentă de valoarea greutăţii G ataşate la pendul şi de poziţia acestuia în momentul ruperii. La pendul se pot ataşa greutăţi de diverse mărimi, aceasta pentru a mării sensibilitatea şi totodată domeniul de măsură al aparatului.

Dinamometrul Pressley

Dinamometrul Pressley, de contrucţie americană, este destinat determinări rezistenţei fibrelor de bumbac prin metoda solicitării în fascicul. Schema de principiu a aparatului este prezentată în figura VI.12.

Fig. VI.12 Schema de principiu

a dinamometrului Pressley [14] 1,2 – cleme; 3,4 braţe; 5 – greutate;

6 – plan de frânare

Proba se fixează între clemele ale aparatului. Clema 2, care face corp comun cu braţele 3 şi 4, toate având posibilitatea să se rotească în jurul articulaţiei fixe O. Iniţial greutatea este blocată în capătul stâng al pârghiei 4, care are o uşoară înclinare, de 30 – 40, faţă de orizontală. Prin deblocare, greutatea culisează în lungul braţului 4, supunând, astfel, proba fixată între cele două cleme la o solicitare de tracţiune. În momemtul ruperii fasciculului de fibre, clema 2 împreună braţele 3 şi 4 se rotesc în sens orar, greutatea se sprijină pe planul de frânare 6, oprindu-i-se astfel deplasarea. În dreptul greutăţii pe braţul 4 se citeşte valoarea forţei de rupere a fascicului.

Fibre textile

148 Distanţa între clemele aparatului este 0, sau se poate regla la

3,2 mm. Fasciculele de fibre se fixează între clemele detaşabile ale

apartului cu ajutorul unui dispozitiv special (menghină). După fixarea în cleme, extremităţile mănunchiului se taie, deci lungimea acestuia va fi de 11,8 mm (egală cu lăţimea clemelor) dacă distanţa între cleme este 0, sau de 15 mm dacă se stabileşte distanţa între cleme de 3,2 mm. Proba astfel pregătită, împreună cu clemele, se introduce în aparat şi se solicită la tracţiune.

Aprecierea rezistenţei se realizează prin indicele Pressley (IP), care se calculează ca raport dintrte forţa de rupere a fasciculului şi masa acestui.

Pentru fascicule cu acelaşi număr de fibre în secţiunea transversală şi acelaşi bumbac se obţin valori diferite pentru acest indice în funcţie de distanţa dintre clemele aparatului (0, sau 3,2 mm), distanţă care determină o anumită lungime totală a fascicului (11,8 mm sau 15 mm) şi implicit modifică masa acestuia. Din acest motiv pentru indicele Pressley trebuie să se specifice şi distanţa dintre cleme, astfel:

MPIP =0 (libre/mg), sau

MPIP =2,3 (libre/mg)

în care: P reprezintă forţa de rupere a mănunchiului,libre; M – masa mănunchiului, mg. Rezultatele care se obţin pentru cele două reglaje nu sunt comparabile şi nu se admit relaţii de transformare.

Dinamometru DS-3M

Aparatul DS-3M, a cărui schema de principiu este prezentată

în figura VI.14, este un dinamometru cu pendul şi poate fi utilizat atât pentru determinarea rezistenţei la tracţiune a fibrelor de bumbac cât şi a celor de lână. Se solicită fascicule de fibre, a căror masa se alege astfel încât valoarea forţei de rupere să se încadreze între 1500 şi 2500 cN.


149

Fig.VI.14. Schema de principiu a

dinamometrului DS-3M 1 – clemă superioară;

2- bandă metalică; 3 – probă;

4 – clemă inferioară; 5 – setor metalic;

6 – pendul; 7 – scală; 8 – tijă;

9 – ax; 10 – cilindru; 11 – pârghie cu greutatea

de acţionare a clemei; 12 – articulaţie fixă; 13 – cilindru cu ulei;

14– manetă; 15 – clicheţi; 16 – roată de clichet;

17 – sistem de deblocare a clicheţilor.

Pentru fasciculele pregătite manual (pieptănate cu un pieptene

metalic) se determină forţa de rupere şi dacă valoarea ei se încadrează în limitele menţionate atunci acea valoare se ia în considerare, iar masa acelui fascicul se determină prin cântărirea segmentelor rezultate în urma ruperii.

Pentru testarea bumbacului, clemele se fixează la distanţa de 3 mm, iar după stabilirea forţei de rupere a fascicului se determină prin calcul valoarea medie a forţei de rupere a unei fibre, cu ajutorul relaţiei:

675,0⋅⋅=

nMQF r

r

în care: Fr – forţa medie de rupere a unei fibre, cN; Qr – forţa de rupere a fasciculului, cN; M – masa fasciculului, mg; n – numărul de fibre dintr-un miligram.

Fibre textile

150

Valoarea 0,675 este un factor de corecţie [37], aplicat datorită nesimultaneităţii ruperii fibrelor. La testarea fibrelor de lână [37] distanţa între cleme se fixează la ”zero”, iar forţa medie de rupere a unei fibre se calculează cu relaţia prezentată anterior, dar fără factor de corecţie. Dinamometru DKV

Dinamometru DKV (fig.VI.15) este un aparat cu pendul cu ajutorul căruia se stabileşte rezistenţa la rupere a fibrelor liberiene tehnice.

Fig. VI.15 Schema de principiu a dinamometrului DKV 1 – pendul; 2– prismă;

3, 5 – cleme; 4 – fascicul;

6 – sistem de acţionare a clemei;

7 – opritor; 8 – indicator;

9 – scală

Datorită structurii morfologice specifice a fibrelor liberiene tehnice, rezistenţa la tracţiune a acestora se apreciază prin forţa maximă de tracţiune pe care îl suportă, înainte de rupere, un mănunchi de fibre de masă şi lungime stabilite convenţional.

Mănunchiurile de fuior pieptănate manual sunt tăiate şi cântărite, astfel încât să se prezinte sub formă de fascicule de 270 mm lungime şi cu masa de 420 mg. Ele se supun încercărilor cu o distanţă între clemele aparatului de 100 mm. Pentru câlţi, care conţin fibre mult mai scurte comparativ cu cele întâlnite la fuior, rezistenţa la tracţiunea se determină pentru fascicule de aceeaşi masă şi lungime, dar cărora l-i s-a aplicat o


151 torsiune de 120 răs/m. Fasciculele astfel obţinute au aspect de semitort. Tot datorită prezenţei fibrelor scurte, fasciculele se testează cu o distanţă între clemele dinamometrului de 70 mm.

În funcţie de limitele de variaţie ale tenacităţii, fibrele textile se pot grupa în următoarele categorii:

– σt = 10 .... 20 cN/tex: lâna; bumbacul scurt; fibrele artificiale proteice; etc.;

– σt = 21 .... 30 cN/tex: bumbacul mediu; vâscoza; fibrele poliacrilonitrilice; etc.;

– σt = 31 .... 40 cN/tex: bumbacul lung; mătasea; vâscoza cu modul înalt; fibrele modacrilice; etc,;

– σt = 41 .... 50 cN/tex: bumbacul extralung; fibrele poliesterice; fibrele poliamidice; etc.;

– σt = 51 .... 60 cN/tex: in; ramie; fibrele fortizan; etc.; – σt > 60 cN/tex: sticlă.

În funcţie de limitele de variaţie ale alungirii la rupere, fibrele textile se pot grupa în următoarele categorii:

– ε = 1 ... 10 %: bumbac; in; ramie; fibrele fortizan; sticlă; etc.; – ε =21 ... 30 %: mătasea; lâna groasă; – ε = 31 ... 40 %: fibrele poliesterice; fibrele poliamidice; etc.; – ε = 41 ... 51 %: lâna fină; fibrele polipropilenice; etc.

VI.1.4. Elasticitatea fibrelor

VI.1.4.1. Aspecte generale

Elasticitatea este proprietatea fibrelor de a reveni – parţial sau total – la forma iniţială după îndepărtarea forţei (mai mică decât cea de rupere) care le-a provocat deformaţia.

Pentru materiale în general, prezintă importanţă deformaţia elastică atât în timpul acţionării forţei cât şi în timpul revenirii (după îndepărtarea forţei).

Pentru textile, prezintă importanţă deformaţia elastică după îndepărtarea forţei, deoarece pentru produsele textile în mare parte este nevoie ca ele să-şi păstreze forma după ce au fost supuse la anumite solicitări.

Fibre textile

152 Elasticitatea fibrelor influenţează foarte multe proprietăţi ale

produselor finite.

Astfel: – stabilitatea – cu cât fibrele sunt mai elastice, cu atât

produsele în structura cărora intră vor avea o stabilitate mai mare la diverse solicitări mecanice;

– şifonabilitate este mai redusă la produsele în structura cărora intră fibre mai elastice;

– tendinţă mai redusă de formare a efectului pilling la produsele alcătuite din fibre mai elastice;

– drapajul produselor (capacitatealor de a lua forma corpului) este cu atât mai mare cu cât fibrele din structura lor sunt mai elastice;

– tuşeu mai moale, mai plăcut la produsele alcătuite din fibre mai elastice;

– rezistenţă mai mare la produsele în structura cărora intră fibre mai elastice.

Revenirea fibrelor la forma iniţială după deformare este

posibilă atunci când forţele exterioare au produs modificări reversibile.

Dintre asemenea modificări se menţionează: – modificarea unghiului de valenţă al legăturilor

intramoleculare; – modificarea reversibilă a formei macromoleculei; – deplasarea relativă a unor elementele structurale. Determinarea practică a valorilor deformaţiei elastice şi a

deformaţiei plastice presupune solicitarea unei probe de lungime cunoscută cu o forţă inferioară celei de rupere urmată de relaxare şi măsurarea lungimii după solicitare şi după relaxare. Astfel, o fibră de lungime iniţială l0 (fig.VI.19), sub acţiunea unei forţe de tracţiune F, mai mică comparativ cu forţa sa de rupere Fr, se deformează axial ajungând la lungimea l1.


153

Deformaţia totală (εt), exprimată în procente, este dată de relaţia:

1000

01 ⋅−

=l

lltε (%)

Fig. VI.19. Reprezentarea schematică a

deformarii fibrei sub acţiunea unei forţe de tracţiune

l0 – lungimea iniţială; l1 – lungimea deformată;

l2 – lungimea după relaxare

După îndepărtarea forţei de solicitare fibra revine la lungimea

l2. Deci, din deformaţia totală o parte se recuperează, iar cu o parte fibra rămâne deformată ireversibil.

Deformaţia recuperată poartă denumirea de deformaţie elastică (εe) şi ea se produce datorită unor modificări reversibile în structura fibrelor, iar deformaţia ireversibilă este numită deformaţie plastică (εP) şi este rezultat al deplasării elementelor structurale unele faţă de altele.

Conform exemplului prezentat în figura VII.19, cele două componente ale deformaţiei totale se calculează cu relaţiile:

1000

21 ⋅−

=l

lleε (%)

1000

02 ⋅−

=l

llpε (%)

l0

l1 l2

F<Fr

Fibre textile

154

VI.1.4.2 Mărimi de apreciere a elasticităţii

Capacitatea de revenire din deformare se apreciază prin: – modul de elasticitate (E); – gradul de elasticitate (Ge); – lucrul mecanic de revenire (Lr). Modulul de elasticitate este o caracteristică de material, care

reprezintă efortul necesar pentru a obţine o alungire egală cu lungimea iniţială în domeniul elastic (o alungire de 199%). Este o mărime foarte importantă, dar numai valoarea acestei caracteristici nu este suficientă pentru a cuantifica elasticitatea fibrelor.

Modulul de elasticitate pentru fibre se determină pentru prima parte a diagramei efort-deformaţie, deoarece numai în această zonă se respectă legea lui Hooke.

La unele fibre, în zona de proporţionalite apar atât deformaţii elastice cât şi deformaţii plastice. Producerea simultană a acestor deformaţii face aproape imposibilă separarea lor, din care cauză valoarea modulului de elasticitate nu este suficientă pentru aprecierea capacităţii de revenire din deformare.

Gradul de elasticitate (Ge) este un parametru convenţional, care reprezintă raportul dintre deformaţia elastică (εe) şi deformaţia totală (εt) şi se calculează cu relaţia:

100100100

100

01

21

0

01

0

21

⋅−−

=⋅⋅

−

⋅−

==llll

lll

lll

Gt

ee ε

ε (%)

în care: l0, – lungimea iniţială, l1, – lungimea deformată, l2 – lungimea după relaxare. Deformaţia elastică şi deformaţia totală se calculează după ce

fibra a fost supusă unei încărcări sau alungiri convenţionale un timp stabilit deasemenea convenţional.


155 Practic gradul de elasticitate se poate determina prin: – încărcare constantă, respectiv o anumită lungime de fibra

se solicită cu forţă cunoscută (de regulă 30 % din forţa de rupere) după care se determină lungimea deformată şi lungimea după revenire;

– alungire constantă respectiv fibra se deformează cu o anumită alungire (de regulă ε = 5 %), după care se urmăreşte revenirea.

Gradul de elasticitate este dependent de mărimea forţei, sau, după caz, de mărimea alungirii aplicate probei, din acest motiv este strict necesar ca atunci când se indică o anumită valoare a gradului de elasticitate să se indice şi condiţiile de testare.

Gradul de elasticitate scoate în evidenţă unele caracteristici de folosire a fibrelor; de acest parametru depind stabilitatea, şifonabilitatea, rezistenţa. El variază de la o fibră la alta, dar este dependent şi de gradul de încărcare.

Lucrul mecanic de revenire Sub acţiunea unei forţe (egală cu 30% din forţa de rupere)

fibra suferă deformaţii elastice şi plastice pentru a căror producere se consumă o energie totală, din care o parte pentru producerea deformaţiei elastice, deci se conservă şi se poate recupera la relaxare, iar o parte se consumă ireversibil pentru deformaţia plastică, disipându-se sub formă de căldură.

Aceste fenomene pot fi cuantificate prin lucrul mecanic consumat pentru deformare şi lucrul mecanic eliberat la relaxare

Lucrul mecanic ”recuperat” denumit lucrul mecanic de revenire sau lucrul de deformaţie elastică, poate fi determinat prin trasarea diagramei efort-deformaţie pentru o solicitare egală cu 30 % din forţa de rupere urmată de relaxare (fig. VI.20). La solicitare se va înregistra curba OA, iar la relaxare AB.

Fibre textile

156

Fig. VI.20 Lucru mecanic de revenire

(Lr) şi lucrul mecanic de

deformare (L)

Sub acţiunea forţei de solicitare fibra s-a deformat cu o

deformaţie totală εt, pentru aceasta consumându-se lucrul mecanic L, a cărui valoare este echivalentă cu aria de sub curba OA. După îndepărtarea forţei se recuperează deformaţia elastică εe, respectiv lucru mecanic de revenire Lr echivalent cu mărimea ariei de sub dreapta AB.

Ca parametru pentru aprecierea elasticităţii fibrei se foloseşte lucrul specific de revenire Lrs, care se calculează cu relaţia:

rrs L

LL = 100⋅ (%)

Acest parametru prezintă dezavantajul că nesesită apartură complicată şi foarte sensibilă, în timp ce gradul de elasticitate se determină mult mai rapid.


157

VI.1.5. Proprietăţi vâscoelastice ale fibrelor

Fibrele textile în timpul prelucrării şi în timpul utilizării sunt supuse la solicitări cu forţe mai mici decât cele de distrugere, dar care acţionează timp mai îndelungat, după care urmează perioade de relaxare. Comportarea fibrelor la asemenea solicitări depinde de proprietăţile reologice ale acestora.

Vâscoelasticitatea fibrelor reprezintă comportarea acestor, atunci când sunt supuse la solicitări mai mici decît cele de distrucţie, luându-se în considerare şi timpil de solicitare.

Pentru studierea vâscoelasticităţii fibrelor s-au elaborat diferite metode şi modele şi s-au stabilit anumite diagrame teoretice corespunzătoare modelelor respective.

Dintre toate, modelul Burgers corespunde cel mai bine pentru caracterizarea proprietăţilor vâscoelastice a fibrelor.

Diagrama de fluaj a unei fibre, corespunzătoare modelului

Burgers, este prezentată în figura VI.21.

Fig. VI.21. Diagrama de fluaj a modelului Burgers

Presupunem o fibră solicitată cu o încărcare constantă (σ) un timp t1, timp în care se va deforma cu o valoare εt. Îndepărtând sarcina, fibra va tinde să revină la dimensiunea iniţială. În momentul îndepărtării forţei apare un fenomen de revenire instantanee (εe), urmat de unul de revenire încetintă(εeî).

Fibre textile

158 În momentul aplicării forţei de solicitare fibra se deformează

instataneu, această deformaţie fiind indicată în diagrama prin segmentul 0a. Pe parcursul solicitării, în intervalul de timp t1, deformaţia creşte continuu conform curbei abc. La încetarea solicitării fibra tinde să revină la dimensiunea iniţială. O parte din deformaţie se recuperează instantaneu şi anume deformaţia elastică imediată (εe), în diagrama fiind redată prin segmentul ce, deformaţia elastică încetinită (εeî), redată prin curba ef, se recuperează după un anumit timp, iar deformaţia plastică (εp), indicată de segmentul fg, nu se recuperează. Dacă după intervalul de timp t1 nu s-ar întrerupe solicitarea, atunci fibra ar continua să se deformeze, conform curbei cd, ceea ce ar conduce la ruperea fibrei. În timpul solicitării se produc fenomene specifice, care sunt indicate în diagramă prin următoarele zone:

– segmentul 0a corespunde deformaţiei elastice, care se produce cu viteză mare;

– curba ab corespunde fluajului primar, care este o deformaţie complexă; în această zonă începe curgerea unor elemnete faţă de altele, viteza de deformare fiind încă destul de mare;

– curba bc corespunde fluajului stabilizat; deformaţia creşte proporţional cu timpul, dar cu o viteză mai mică;

– curba cd corespunde fluajului accelerat; este zona în care viteza de deformare creşte din nou; fluajul accelerat precede ruperea fibrei.

În timpul de relaxare se produc următoarele fenomene: – revenirea elastică imediată, care se produce cu vitza

sunetului; este redată în diagrama prin segmentul ce; – revenirea elastică încetinită, sau fluajul primar invers,

redat prin curba ef; – fluajul stabilizat invers, redat prin dreapta fg.


159 Metode şi aparate

pentru determinarea gradului de elasticitate şi trasarea diagramelor de fluaj

Pentru obţinerea diagramelor de fluaj, şi a gradului de

elasticitate, se pot aplica două metode: – cu încărcare constantă, metodă prin care se obţin

diagrame de fluaj de tipul celei prezentate în figura VI.22; – cu alungire constantă, care presupune deformarea probei

până la valoarea alungirii totale (fig. VI.23) şi determinarea alungirilor la relaxare.

Fig. VI.22. Diagrama de fluaj obţinută prin metoda cu încărcare constantă

Fig. VI.23. Diagrama de fluaj obţinută prin metoda cu alungire constantă

Pentru ambele metode, obţinerea practică a diagramelor şi

implicit a deformaţiilor corespunzătoare, presupune stabilirea deformaţiei la diferite intervale de timp, atât pentru perioada de solicitare cât şi pentru cea de relaxare.

În acest scop se pot folosi microdeformetrele sau relaxometrele.

Microdeformetrele destinate testării fibrelor sunt echipate cu

dispozitive optice cu ajutorul cărora se pot determina deformaţiile cu precizie de 1 micron.

Schema de principiu a unui microdeformetru este prezentată în figura VI.24.

Fibre textile

160

Fig.VI.24 Schema de principiu

a unui microdeformetru [14]

1 – probă; 2- greutate de pretensionare;

3 – greutate de solicitare; 4 – suport mobil

Iniţial se stabileşte lungimea (l0) a fibrei pretensionate cu o

forţă de 0,5 cN/tex (fig. VI.24 a). Prin coborârea suportului 4 asupra fibrei va acţiona o forţă de tracţiune constantă, egală cu greutatea călăreţului 3 (fig. VI.24 b).

Proba se menţine sub tensiune o perioadă (de exemplu 30 minute) notându-se lungimile deformate (ldi), care se înregistrează la diferite intervale de timp (de exemplu la 5”; 30”; 1’; .... ; 30 minute).

Anularea solicitării se realizează prin ridicarea suportului 4 (fig. VI.24 c). În perioada de relaxare, de regulă egală cu cea de solicitare, se urmăreşte revenire din deformare, prin notarea lungimilor (lri) înregistrate la aceleaşi intervale de timp. În baza lungimilor stabilite se calculează valorile deformaţilor corespunzătoare fiecărui interval de timp de solicitare, respectiv de relaxare, valori care se folosesc pentru trasarea diagramei de fluaj.

Pentru calculul deformaţiei totale, a deformaţiei elastice imediate, a deformaţiei elastice încetinite, a deformaţiei plastice, precum şi a gradului de elasticitate nu este strict necesar să se cunoască toate lungimile înregistrate la solicitare şi relaxare.

Astfel, dacă se consideră că o probă a fost solicitată şi respectiv relaxată timp de 30 minute, atunci pentru calculul parametrilor menţionaţi este suficient să se cunoască lungimea iniţială

lri l0 ldi

a b c

1

2

3

4


161 (l0), lungimea după 30 de minute de solicitare (l1), lungimea de revenire (l2) după 5 secunde (mai rapid practic nu este posibil) de la îndepărtarea forţei şi lungimea de revenire (l3) după 30 de minute de relaxare. Pentru calculul deformaţiei totale (εt), a deformaţiei elastice imediate (εe), a deformaţiei elastice încetinite (εeî), a deformaţiei plastice (εp), precum şi a gradului de elasticitate (Ge) se aplică relaţiile:

1000

01 ⋅−

=l

lltε (%) 100

0

21 ⋅−

=l

lleε (%)

1000

32 ⋅−

=l

lleiε (%) 100

0

03 ⋅−

=l

llpε (%)

10010001

31 ⋅−−

=⋅+

=llllG

t

eiee ε

εε (%)

Relaxometrele (fig.VI.25) sunt aparate la care modul de lucru

este similar celui descris la microdeformetru. Diferenţa între cele două tipuri de aparate constă în modul de solicitare a probei. La relaxometru solicitarea se realizează prin intermediul unor arcuri a căror caracteristici sunt cunoscute.

Fig.VI.25.

Schema de principiu a unui

relaxometru

1 – probă; 2 – clemă;

3 – arc.

l0 ldi

a

lao E

la1

σ

b

1

2

3

Fibre textile

162 Dacă, pentru arc se cunosc modulul de elasticitate (E),

lungimea în stare relaxată (lao), adică lungimea înainte de solicitarea probei (fig. VI.25 a) şi lungimea din timpul solicitării (la1), atunci se poate calcula încărcarea (σ) la care a fost supusă proba prin intermediul arcului şi anume:

E⋅= εσ , dar 1

1

a

aoa

lll −

=ε , deci El

llEa

aoa ⋅−

==1

1εσ

La relaxometre, prin deformarea arcurilor cu diferite valori se

pot realiza diverse încărcări ale probelor, nefiind necesară în acest scop o trusă de greutăţi (călăreţi) ca în cazul microdeformetrelor.

VI.2. SOLICITAREA DE ÎNCOVOIERE

Folosirea în exclusivitate a rezistenţei, drept criteriu de apreciere a calităţii, nu este indicată deoarece o mare rezistenţă nu este dovada unei bune calităţi, după cum, nici o rezistenţă mică nu dovedeşte sufiicent că materialul este necorespunzător calitativ. În afară de solicitările de tracţiune, fibrele sunt supuse şi altor solicitări, între care predominante sunt solicitările la încovoiere, care se pot produce în timpul procesului de prelucrare, sau chiar în timpul utilizării produselor finite.

În timpul procesului de prelucrare textilă fibrele sunt supuse la solicitări de încovoiere prin îndoiri de diferite organe, în special în procesele din filatură, prin buclări sau înodări în procesele de prelucrare a firelor - răsucire, ţesere, tricotare etc., sau în timpul operaţiilor de interţesere în cazul structurilor textile neţesute., solicitări care pot conduce la modificări structurale esenţiale, evidenţiate de regulă prin stabilitatea dimensională a produsului. Dimensionarea organelor lucrătoare prin sau peste care se trec fibrele este în strânsă legătură cu comportamentul acestora la încovoiere. Raza de curbură a acestor organe se stabileşte astfel încât să nu provoacedistrucţia fibrelor prin încovoiere.


163

VI.2.1. Calculul razei de curbură care provoacă ruperea fibrei

Marea majoritate a organelor lucrătoare sunt cilindrice, deci fibrele se încovoaie după o rază de curbura, a cărei valoare, în cazul în care este foarte mică (adică atunci când organele de lucru care provoacă încovoiere sunt de dimensiuni foarte mici) poate determina ruperea prin încovoiere a fibrelor.

Pentru a preîntâmpina apariţia unui asemenea fenomen este necesar să se cunoască valoarea razei de curbură care ar putea distruge fibra prin încovoiere.

Se consideră o fibră, cu diametru d, (fig.V.26 ) care trece peste un organ de lucru cilindric, de rază Ri, organ care îi provoacă o încovoiere de rază R0. În zona de sub raza neutră (x-x,) fibra este supusă la eforturi de compresie, iar în zona de deasupra la solicitări de întindere şi tensionare.

Fig. VI.26. Fibră încovoiată sub o rază de curbură R0

Întrucât fibrele textile se caracterizează printr-o bună rezistenţă la compresie, distrugerea fibrei încovoiate poate să fie cauzată numai de întindere. Ruperea fibrei apare atunci când zona situată deasupra axei neutre va suferi o deformaţie mai mare, sau cel puţin egală cu alungirea la rupere a fibrei. Din această zonă, partea exterioară, respectiv arcul de cerc le este cel care se deformează cel mai mult.

ϕ

lli

l

A B

0

Re

R0

Ri

d x x

Fibre textile

164 Ţinând cont că axa neutră nu se deformează, deci arcul l0 nu-

şi modifică dimensiunea, condiţia de rupere a fibrei este ca alungirea arcului le comparativ cu l0 să fie mai mare decât alungirea la rupere (εr) a fibrei:

re

lll εε ≥

−=

0

0

Cunoscând grosimea şi alungirea la rupere a unei fibre, se poate calcula valoarea razei de curbură a organului de lucru care poate conduce la distrugerea acesteia. Dacă s-ar face un calculul, s-ar constata că numai organele de lucru cu o rază de curbură foarte mică (sub 45μm) ar putea distruge fibra numai prin simpla încovoiere. În practică, nu există organe de lucru de asemenea dimensiuni. Deci, în procesele de prelucrare fibrele nu se rup datorită solicitării de încovoiere, dar de cele mai multe ori solicitarea de încovoiere este însoţită şi alte solicitări, în special de solicitările de tracţiune, care împreună pot provoca ruperea fibrei.

Aşadar, făcând abstracţie de natura polimerului şi de structura produsului, influenţa cea mai mare a rezistenţei la încovoiere o exercită grosimea fibrelor – atât prin mărime cât şi prin forma ariei secţiunii transversale:

• fibrele mai fine se comportă mai bine la solicitări de încovoiere decât cele mai groase;

• o formă mai aplatizată micşorează rezistenţa la încovoiere a fibrelor, mărind deci flexibilitatea acestora.

Capacitatea de îndoire, denumită şi flexibilitatea fibrelor este influenţată de asemenea şi de proprietăţile lor elastice (de valoarea alungirii la rupere şi de valoarea alungirii corepunzătoare limitei de elasticitate).


165

VI.2.2. Rezistenta la încovoiere a fibrelor

Rezistenţa la îndoire denumită şi rigiditate este capacitatea

fibrelor de a se opune schimbării formei lor sub acţiunea forţelor de încovoiere. Acesta este un alt mod de apreciere a comportării fibrelor la solicitarea de încovoiere.

Fiecare fibră se caracterizează printr-o anumită capacitate de a se opune schimbării formei sale, atunci când asupra ei acţionează un moment încovoietor.

Valoarea rigidităţii la încovoiere poate fi calculată sau determinată practic, fiind .definită de relaţia:

IERi ⋅= în care I reprezintă momentul de inerţie a secţiunii transversale faţă de

axa neutră. Pentru fibrele cu secţiune circulară rigiditatea este dată de

relaţia:

64

4dEIERiπ

=⋅= (cN.mm2)

în care E reprezintă modulul de elasticitate, în cN/mm2; d – diametrul secţiunii fibrei, în mm.

Deoarece diametrul fibrelor şi firelor este greu de determinat cu precizie, valoarea rigidităţii se poate calcula prin folosirea indicatorilor specifici utilizaţi în sectorul textil cu relaţiile:

32

104

−⋅⋅⋅

⋅=

ρπt

iTER (cN.mm2)

52

104

−⋅⋅⋅

⋅=

ρπt

iTER (cN.cm2)

Fibre textile

166 Din aceaste relaţii rezultă că rigiditatea la încovoiere a unei

fibre este direct proporţională cu modulul de elasticitate şi pătratul densităţii de lungime şi invers proporţională cu masa specifică. La fibrele de aceeaşi natură (E = ct. şi ρ = ct.) valoarea rigidităţii depinde numai de grosimea fibrei. Pentru determinarea rigidităţii fibrelor a căror secţiune transversală nu este circulară, literatura de specialitate propune următoarea relaţie de calcul:

32

104

−⋅⋅⋅⋅⋅

=ρπ

η ti

TER (cN.mm2)

în care: η este un coeficient de corecţie a cărui valoare ţine seama de forma secţiunii transversale a fibrelor.

În tabelul 1, sunt prezentate valorile acestui coeficient pentru principalele fibre textile. Tabel VI.1. Coeficienţi de corecţie a rigidităţii fibrelor

Tip f ibră Valoare coef ic ient Tip f ibră Valoare

coef ic ient Vâscoza 0 ,74 Mă tase 0 ,59 For t izan 0 ,83 Pol iamidă 0 ,91 Acetat 0 ,67 St ic lă 1 ,00 Lână 0 ,80

VI.2.2.1. Metode de măsurare a rigidităţii

Deoarece fibrele textile se caracterizează prin mărimi şi forme foarte variate, chiar şi în cadrul aceluiaşi tip de fibră, practic este mai simplu să se determine rigiditatea prin diferite metode experimentale, decât să se calculeze cu relaţiile prezentate, dar pentru aceasta este necesară o aparatură foarte sensibilă, care să asigure încărcarea fibrei cu forţe foarte mici şi care să permită măsurarea exactă a deformaţiilor ce apar în urma solicitărilor.


167 Întrucât nu există aparate, care în urma încercărilor să indice

direct valoarea rigidităţii, în continuare se vor prezenta câteva metode prin care se determină alte mărimi (săgeata, forţa de încovoiere, momentul încovoietor) pe baza cărora se poate calcula valoarea rigidităţii.

Multiplele metodele elaborate pentru aprecierea rigidităţii se pot grupa în:

– metode bazate pe măsurarea deformaţiei maxime a probei supusă la încovoiere cu forţă concentrată de mărime cunoscută (metoda Cambrigde, Suthrie, Pierce etc.);

– metode bazate pe măsurarea forţelor încovoietoare, respectiv a momentelor încovoietoare, care deformează proba cu o valoare cunoscută (metoda Mayer, metoda Frenzel, metoda Lasarenko etc.);

– metoda corzii vibrante; – metode pentru aprecierea convenţională a rigidităţii.

Metode bazate pe măsurarea deformaţiei

Metoda Cambridge Această metodă se bazează pe măsurarea săgeţii pe care o face

fibra sub acţiunea unei forţe convenţionale.

Fig. VI.27. Principiul metodei Cambridge [14] 1 – fibră; 2 – cadru

F a b c

l

f 1 1 1

2 2

F

Fibre textile

168 Dacă asupra fibrei 1, de lungime cunoscută, prin intermediul cadrului 2 aşezat pe aceasta (fig.VI.27. a), se acţionează cu o forţă F (fig VI.27. b), atunci fibra se va încovoia, formând faţă de orizontală săgeta f. Cambridge propune ataşarea cadrului de încovoiere al fibrei la un dinamometru, cu ajutorul căruia se solicită proba cu o forţa cunoscută, şi se determină valoarea săgeţii formată de fibră. Cunoscând valoarea forţei (F) şi a săgeţii (f) rigiditatea fibrei (Rî) se calculează cu relaţia:

flFIERi ⋅

⋅=⋅=

48

3

Metoda Suthrie Această metodă constă în încărcarea unei probe încastrate cu o

forţă concentrată.

Fig. VI.28. Principiul metodei Suthrie

Practic, se determină (fig. VI.28) săgeata (f) formată de un

segment de fibră de lungime cunoscută (l=1,5 ... 2 mm), fixat la un capăt, atunci când asupra celuilat capăt acţionează o forţă (F). Considerând fibra o bară încastrată la un capăt, rezistenţa la îndoire se calculează cu relaţia:

flFIERi ⋅

⋅=⋅=

3

3

(cN.cm2)

în care termenii au semnificaţia celor prezentaţi în relaţia precedentă.

l

F f


169 Metoda Peirce

Metoda Pierce, recomandată pentru fire filamentare, presupune măsurarea deformaţiei unei bucle de fir sub acţiunea unei forţe de mărime cunoscută (fig. VI.29).

Fig. VI.29. Principiul metodei

Peirce [14] l0 – diametrul buclei; d – deformaţia buclei; F – forţa de solicitare

Pentru calculul rigidităţii se foloseşte relaţia:

zLFRi

2⋅= (cN.mm2)

în care: Ldz = ;

d – deformaţia buclei, în mm; L – lungimea de fir cuprinsă în buclă, în mm ( 0lL ⋅= π ); l0 – diametrul buclei, în mm; F – forţa de solicitare, în cN.

Condiţiile de solicitare trebuie astfel adoptate încât să se

asigure o deformaţie relativ mică a buclei, respectiv: 11,003,0 <<Ld

l0

d

l

F

Fibre textile

170

Metode pentru aprecierea convenţională a rigidităţii

Metodele care permit calculul efectiv al valorii rigidităţii sunt laborioase, necesită aparatură foarte sensibilă şi se multe ori nu sunt adecvate testării tuturor categoriilor de fibre, cum ar fi fibrele încreţite, fibrele liberiene tehnice.

Aprecierea rigidităţii se poate realiza prin alte mărimi, dar care sunt dependente de aceasta.

Metoda înfăşurării fibrei pe o lamă propusă de profesorul I.

Vlad constă în înfăşurarea unei fibre, sub o tensiune constantă (0,5 cN/tex), pe o lamă de perimetru cunoscut. Lungimea unei spire este direct proporţională cu rigiditatea probei.

Această metodă apreciază rigiditatea prin raportul (R) între perimetrul lamei (P) şi lungimea medie a unei spire (Ls):

sLPR =

Este evident că, dacă se înfăşoară două fibre sub tensiune constantă, pe aceeaşi lamă (fig. VI.30 a), atunci fibra mai rigidă, fibra 2, va forma spire de lungime mai mare, comparativ cu fibra 1 care este mai puţin rigidă.

Fig. VI.30. Principiul metodei înfăşurării pe lamă [14]

fibra 1

fibra 2

a

l1

nS

c

l0

2 1

b

3

4


171 Determinarea practică a lungimii unei spire presupune: – fixarea lamei 2, cu perimetrul cunoscut şi a fibrei 3,

pretensionate cu călăreţul 4, în clema 1 unui torsiometru; – determinarea lungimii de fibră pretensionată, l0 ; – înfăşurarea unui număr întreg (nS) de spire pe lamă; – determinarea lungimii de fibră neînfăşurată, l1; – calculul lungimii totale înfăşurate: lî = l0 – l1;

– calculul lungimii unei spire: S

iS n

ll = ;

Valorile raportului R sunt invers proporţionale cu rigiditatea fibrei şi pot fi utilizate pentru compararea rigidităţii fibrelor care au fost testate în aceleaşi condiţii.

Flexibilitatea la îndoire este proprietatea corpurilor de a se încovoia uşor, fără a suferi deformaţii permanente, deci o probă este cu atât mai flexibilă cu cât rigiditatea este mai mică. Pentru unele fibre, cum ar fi fibrele liberiene tehnice, rigiditatea se apreciază prin flexibilitate. Fibrele liberiene tehnice sunt fibre pluricelulare în care celulele (fibrele elementare) sunt consolidate între ele prin lamela mediana. Sub acţiunea unor factori externi, mecanici sau chimici, lamela mediană poate fi distrusă, ceea ce are ca efect divizarea fibrei tehnice, ajungându-se în unele cazuri chiar la eliberarea tuturor celulelor.

Fig. VI.31. Principiul metodei de determinare a flexibilităţii fibrelor liberiene 1 - fascicul de fibre tehnice

f1; f2 – săgeţile formate de cele două capete ale fascicolului

La această categorie de fibre flexibilitatea se cuantifică prin săgeţile formate de capetele unui fascicul convenţional (cu masa de 420 mg şi lungimea de 270 mm), fixat la mijloc şi încovoiat sub propria greutate.

f1 f2

1

Fibre textile

172 Flexibilitatea fasciculului se apreciază prin valoarea medie (f) a săgeţilor (f1 şi f2) formate de cele două capete (fig. 5):

221 fff +

=

Metoda fiind simplă, permite determinarea acestei caracteristici după fiecare fază a procesului tehnologic, ceea ce prezintă o deosebită importanţă, mai ales pentru fibrele liberiene ale căror caracteristici se modifică continuu pe toate fazele proceselor de prelucrare Divizarea fasciculelor de fibre (deci, forma, dimensiunile secţiunii transversale şi implicit flexibilitatea), începe în procesul de topire a plantelor şi se continuă în procesele din filatură.

VI.2.2.2. Rezistenţa la nod şi rezistenţa la buclă Cea mai frecventă solicitare la care sunt supuse fibrele este cea de tracţiune. Există însă fibre cu rezistenţă mare la tracţiune, dar domeniile lor de utilizare sunt limitate datorită fragilităţii. Un caz extrem îl constituie fibrele de sticlă, dar există şi alte tipuri de fibre, cum ar fi cele polinozice, care sunt considerate fragile. Fibrele fragile se rup în timpul proceselor de prelucrare, ceea ce are ca efect mărirea consumul specific şi totodată scăderea valorii de întrebuinţare a produselor.

Fragilitatea fibrelor poate fi pusă în evidenţă prin resiztenţa la nod şi rezistenţa la buclă, un caz particular al încovoierii.

În foarte multe cazuri fibrele sunt deseori solicitate la tracţiune în stare buclată sau înodată. În asemenea situaţii, în zona nodului, sau a buclei fibrele sunt supuse la solicitări foarte complexe: tracţiune, compresie, întindere, încovoiere, forfecare. Din acest motiv rezistenţa la rupere a probelor înnodate, sau buclate este întotdeauna mai mică decât cea de tracţiune.

Rezistenţa la nod şi la buclă se apreciază prin valori relative ce se calculează cu relaţiile:

100' ⋅=R

nn

FRR (%);


173

1002

' ⋅⋅

=R

bb

FRR (%)

în care: R’n – rezistenţa relativă la nod, în %;

R’b – rezistenţa relativă la buclă, în %; nR – forţa medie de rupere a fibrelor în formă de nod, în cN;

bR – forţa medie de rupere a fibrelor în formă de buclă, în cN; RF – forţa medie de rupere la tracţiune a fibrelor.

Forţele de rupere se determină cu ajutorul dinamometrului, la care probele de încercare se compun din fibre individuale, pentru determinarea forţei de rupere la tracţiune, fibre la mijlocul cărora s-a efectuat un nod obişnuit, pentru determinarea rezistenţei la nod şi fibre aşezate sub formă de buclă pentru determinarea rezistenţei la buclă. Rezistenţa la nod şi rezistenţa la buclă se poate determina prin două metode:

– metoda probei reprezentative; – metoda segmentării.

Metoda probei reprezentative, presupune determinarea forţei medii de rupere la tracţiune a fibrelor ( RF ) dintr-o probă, precum şi

determinarea forţei medii de rupere la nod ( nR ) şi buclă ( bR ), pentru fibrele din aceeaşi probă, calculnându-se în final rezistenţele relative cu relaţiile:

100' ⋅=R

nn F

RR (%)

1002

' ⋅⋅

=R

bb F

RR (%)

Metoda nu este operativă, deoarece necesită un număr mare de încercări.

Fibre textile

174 Metoda segmentării, sau înjumătăţirii fibrei, presupune

determinarea forţei de rupere la nod, sau buclă şi a forţei de rupere la tracţiune la aceeaşi fibră. În acest scop fibra se segmentează, o jumătate se foloseşte pentru determinarea forţei de rupere la simpla tracţiune, iar cealaltă pentru determinarea rezistenţei la nod, sau se împarte în trei segmente: unul pentru determinarea forţei de rupere la tracţiune, iar cealalte două pentru determinarea rezistenţei la buclă.

VI.3. FENOMEMUL DE OBOSIRE

În timpul prelucrării fibrelor, dar mai ales în timpul utilizării produselor finite, fibrele sunt supuse la solicitări, cu forţe mai mici decât cele de distrugere, dar care se repetă. Solicitările repetate au ca efect obosirea fibrei, care în final conduce la ruperea ei. Fenomenul de obosire se explică prin cumularea deformaţiilor ireversibile care se produc în fibră la fiecare ciclu de solicitare.

Astfel, în cazul solicitării la tracţiune cu o forţă mai mică

decât cea de rupere, fibra se deformează cu o deformaţie totală (εt) dată de relaţia:

peiet εεεε ++=

în care: εe reprezintă deformaţia elastică imediată; εei – deformaţia elastică încetinită; εP – deformaţia plastică. Aceste deformaţii se produc simultan, nu succesiv; la eforturi mici (deformaţii mici) predomină deformaţiile elastice, iar la eforturi mari predomină deformaţiile plastice. Deci, deformaţiile plastice apar şi la eforturi mici. Sub acţiunea repetată a solicitărilor, deformaţiile plastice se cumulează, apare fenomenul de oboseală, care poate duce la ruperea fibrei. În practică fenomenul de obosire al fibrelor apare în special datorită solicitărilor repetate de tracţiune, sau de încovoiere şi se apreciază prin:

– rezistenţa la solicitări de tracţiune repetată; – rezistenţa la solicitări de îndoire repetată.


175 Ambele rezistenţe se exprimă prin numărul de cicli la care

rezistă proba până în momentul ruperii dependent de mărimea încărcării, durata solicitării şi durată timpului de relaxare, care alternează între două solicitări succesive.

Rezistenţa la solicitări de tracţiune repetată, de regulă, se apreciază prin numărul de cicli la care rezistă o probă solicitată cu forţă egală cu 80 % din forţa de rupere, care acţionează un minut, urmată de o relaxare timp de două minute.

Rezistenţa la îndoiri repetate, se apreciază prin numărul de cicli la care rezistă o fibră supusă la îndoiri repetate de 1800 (fig. VI.32). Fibra poate fi încovoiată în stare liberă, sau încovoierea poate să se realizeze sub o anumită forţă de tensionare

Fig. VI.32 Schema de pricipiu a solicitării la îndoiri repetate.

1 – fibră; 2 – clemă; 3 – greutate de pretensionare

În tabelul VI.3 este prezentată rezistenţa la îndoiri repetate

a principalelor fibre textile. Rezistenţa la îndoiri repetate a principalelor fibre Tabelul VI.3

Tip f ibră Nr.cic l i Tip f ibră Nr.cic l i Poliamidă ş i lână 500.000 Ramie 16.000

Pol ies ter 400.000 Aceta t 15.000 Pol ic lorvini l 100.000 In 13.000 Mă tase crudă 57 .000 Cupro 12.000 Bumbac 33.000 Iuta 1 .500 Vâscoză 18 .000 Chenaf 400

1

2

3

Fibre textile

176

VI.4. SOLICITAREA DE TORSIONARE

Materiile prime textile (fibrele scurte, filamentele naturale sau chimice) pentru a fi transformate în ţesături sau tricoturi este strict necesar să treacă printr-o fază intermediară şi anume cea de fir.

Pentru a obţine fire cu o anumită rezistenţă, dintr-o înşiruire de fibre paralelizate, îndreptate şi orientate în direcţia lungitudinală a acesteia este necesară consolidarea acestora, care de cele mai multe ori se realizează prin torsionare, operaţie care presupune aplicarea unei răsuciri în jurul axei înşiruirii de fibre.

Prin torsionare, în fibre apar tensiuni care pot duce la deformaţii, care la rândul lor influenţează structura fibrei şi aspectul firului. Dacă în urma torsionării fibrele se deformează plastic, atunci firele obţinute vor fi mai compacte.

Torsionarea este operaţia prin care o secţiune transversală a unei înşiruiri fibroase este rotită în plan propriu în jurul axei, faţă de o altă secţiune considerată fixă, situată la distanţa l. Torsiunea (T) unui fir se calculează cu relaţia:

T nl

= (răsucituri/m)

în care : n – numărul de rotiri ale unei secţiuni faţă de altă secţiune;

l – distanţa dintre secţiunile considerate Torsionarea are ca efect apariţia în interiorul înşiruirii, deci la

nivelul fibrelor, a unor tensiuni interne, care pot fi puse în evidenţă prin tendinţa firelor de a se detorsiona, atunci când unul din capete este lăsat liber, sau prin tendinţa de formare a cârceilor atunci când firul este netensionat.

La torsiuni mari tensiunile interne pot provoca deformaţii accentuate, cu repercusiuni asupra aspectului şi proprietăţile firului. Pentru a se preîntâmpina apariţia unor asemenea fenomene trebuie să se cunoască cum se comportă fibrele la solicitarea de torsionare, ca în funcţie de aceasta să se stabilească cel mai eficient grad de torsionare al firelor.


177 Comportarea la torsiune a fibrelor se poate aprecia prin: – modulul de torsiune; – rigiditatea la torsiune; – valoarea unghiului corespunzător torsiunii de rupere.

Modulul de torsiune (Et) este o caracteristică de material, a cărui valoare, în cazul fibrelor se poate determina practic cu ajutorul unui pendul (fig. VI.33).

Fig.VI.33. Schema de principiu a pendului

pentru determinarea modulului de torsiune

1 – clemă; 2 – fibră; 3 – disc

Fibrei 2, fixată la un capăt în clema 1, i se imprimă prin intermediul greutăţii 3 un moment de torsiune (un anumit număr de torsiuni). Lăsată liber, datorită elasticităţii, fibra împreună cu greutatea suspendată de aceasta se va roti într-un sens şi celălalt. Se cronometrează timpul de rotire al pendulului în ambele sensuri şi se calcuează modulul de torsiune (Et ) cu relaţia:

242

trklEt ⋅

⋅⋅⋅=

π

în care: k – momentul de deplasare al greutăţii; l – lungimea fibrei; r – raza fibrei; t – timpul de rotire al pendulului în ambele sensuri.

Rigiditatea fibrelor (Rt) la torsionare se determină cu relaţia:

fGARt ⋅⋅= 2

în care A reprezintă aria secţiunii transversale a fibrei; G – modulul de torsiune; f – factor de corecţie, a cărui valoare depinde de forma secţiunii transversale (tab.VI. 4)

1

2

3

Fibre textile

178 Valorile coeficientului de corecţie Tabelul VI.4

Forma sec ţ iuni i

t ransversa le F ibra

Valoarea coef ic ientu lu i ,

f c i rcu la ră cupro , r e lon , s t i c lă e t c . 1 ova lă l âna , pă ru r i l e an imale >0 ,97 ap la t i za tă po l i ac r i lon i t r i l i ce 0 ,57 t r iunghiu la ră mă t a sea 0 ,84

bumbac 0 ,71 1n 0 ,96

cu lumen

ramie 0 ,77 vâscoză 0 ,93

neun i formă ace ta t 0 ,69 – 0 ,73

Unghiul corespunzător torsiunii de rupere este o mărime frecvent utilizată în practica textilă pentru aprecierea proprietăţilor torsionale ale fibrelor.

Valoarea acestui unghi se determină prin calcul. Practic se determină numărul de torsiuni pe unitate de lungimea care provoacă ruperea fibrei. În acest scop se foloseşte un torsiometru, între clemele căruia se fixează fibra pretensionată cu o forţă de 0,5 cN/tex, după care se torsionează până la rupere.

Considerând că fibra este cilindrică, generatoarea fibrei care este paralelă cu axa fibrei, prin torsionare se va dispune după o linie elicoidală cu pasul h.

Dacă se cunoaşte lungimea de fibră (l) supusă torsionării (fig.VI.34) şi numărul de torsiuni (T) care i-au provoacat ruperea, atunci se poate determina pasul spirelor (h) cu relaţia:

Tlh =


179

Fig. VI.34. Definirea unghiului (α), corespunzător

torsiunii de rupere

Dacă înainte de torsionare lungimea generatoarei era egală cu lungimea fibrei, prin torsionare lungimea ei creşte continuu, atingând valoarea maximă în momentul ruperii. Lungimea generatoarei în momentul ruperii şi implicit valoarea deformaţiei este direct proporţinală cu numărul de torsiuni aplicate şi grosimea fibrei. Considerând un element de fibră de lungime egală cu pasul spirei şi desfăşurând aria laterală a acestuia, atunci se poate definii şi calcula unghiul (α) corespunzător torsiunii de rupere:

dhtg⋅

=π

α

în care h – pasul spirelor; d – diametrul fibrei. Înlocuind în această relaţie expresia pasului h al spirelor se obţine relaţia de calcul a unghiului corespunzător torsiunii de rupere:

Tdltg

⋅⋅=

πα

în care: l – lungimea iniţială a fibrei, egală cu distanţa dintre clemele torsiometrului, în cm; d – diametrul fibrei în cm; T – numărul de torsiuni până la rupere, în răs/cm. Pentru fibrele a căror secţiune transversală diferă de forma circulară, diametrul se înlocuieşte cu unul din indicii specifici de apreciere a grosimii.

Fibre textile

180 Valoarea diametrului în centimetri se calculează cu relaţia:

ρπ ⋅⋅=

Nmd 1

51

Înlocuind expresia diametrului în relaţia de calcul a unghiului corespunzător torsiunii de rupere se obţine:

ρπ

ρππ

α ⋅⋅⋅⋅

=

⋅⋅⋅⋅⋅

= NmT

l

NmT

ltg 51

51

,

sau calculând valoarea constantelor se obţine:

ρα ⋅⋅= NmTltg 819,2

Cu cât unghiul corespunzător torsiunii de rupere este mai mic cu atât fibrele sunt mai rezistente la torsiune.

În tabelul VI.5 sunt indicate valorile unghiului de rupere prin torsionare pentru principalele fibre textile. Valorile unghiului corespunzător torsiunii de rupere Tabelul VI. 5

Fibra Unghiul de

rupere , α

F ibra Unghiul de

rupere , α

Bumbac 53 – 56 Caze ină 28 – 31 ,5 In 60 ,5 – 68 ,5 PA - f ib ră 27 – 34 Lână 48 ,5 – 51 ,5 PA - f i l ament 34 ,5 – 42 ,5 Mă t a se 51 PES – f ib ră 31 Vâscoză c l a s ică 50 ,5 – 54 ,5 PES - f i l ament 40 – 48 Vâscoză cu t ena-c i t a te mare 56 ,5 – 58 ,5 PAN - f ib re 55 ,5 – 57

Vâscoză cu t ena- c i t a te foa r te

mare 67 S t ic lă 85 - 87

Ace ta t 44 – 49 ,5


181

VI.5. COMPORTAREA FIBRELOR LA FRECARE

Consideraţii genarale Frecarea este fenomenul care apare între două corpuri aflate în contact la mişcarea, sau tendinţa de mişcare relativă a unuia faţă de celălalt. Fenomenul se manifestă prin apariţia unei forţe, care se opune mişcării, numită forţă de frecare. Această forţă efectuează un lucru mecanic rezistent, care se transformă în căldură, având ca efect scăderea randamentului mişcării. Mărimea forţei de frecare nu depinde de mărimea suprafeţelor de contact. Ea depinde de mărimea forţei normale de apăsare pe suprafaţa de contact şi de alţi factori (natura corpurilor, starea suprafeţelor, prezenţa sau absenţa lubrifianţilor etc.) a căror influenţă este înglobată în valoarea coeficientului de frecare. Se consideră o fibră (fig. VI.35) de masă M aşezată pe o suprafaţa orizontală şi care se află sub acţiunea forţei P.

În acest caz asupra fibrei acţionează: – forţa P, care are tendinţa să deplaseze, sau chiar

deplasează corpul în raport cu suprafaţa orizontală;

– forţa de frecare F, care se opune deplasării; – forţa normală N, care este de aceeaşi valoare cu

greutate fibrei, dar de sens contrar.

Fig. VI.35. Schema de definire

a coeficientului de frecare

Mărimea forţei de frecare se poate determina prin măsurarea

forţei minime capabile să scoată corpul din repaus.

F

R N ϕ

P

Fibre textile

182 Coeficentul de frecare reprezintă raportul dintre forţa de

frecare (F) şi forţa normală (N):

NF

=μ

Dacă se notează cu ϕ unghiul pe care îl formează normala (N) cu rezultanta (R) a forţelor F şi N, atunci se observă că valoarea coeficientului de frecare este egală cu tangenta unghiului ϕ, adică:

ϕμ tgNF

==

Unghiul ϕ poartă denumirea de unghi de frecare. Frecarea este caracterizată prin două valori ale coefientului de frecare, în funcţie de cele două stări ale mişcării:

– coeficientul de frecare static sau de adezine μσ reprezintă momentului iniţial al mişcării, momentul în care începe deplasarea unui corp faţă de celălalt;

– coeficientul de frecare cinematic μχ caracterizează comportarea fibrelor la frecare în timpul deplasării a mişcarii lor.

Întotdeauna, la toate materialele coeficientul de frecare static are valori mai mare comparativ cu cel cinematic. În cazul fibrelor valoarea coefientului de frecare este determinat de o serie de factori dintre care se menţionează:

– natura compusului macromolecular; – structura de suprafaţă, respectiv prezenţa sau absenţa de pe suprafaţa laterală a fibrelor a aspirităţilor, denivelărilor etc.; – conţinutul de umiditate; – conţinutul de substanţe însoţitoare din fibre (ceruri,

grăsimi etc.); – poziţia fibrelor în momentul frecării (perpendiculară sau

paralelă cu direcţia de deplasare).


183 Coeficientul de frecare al fibrelor influenţează foarte multe

caracteristici ale produselor textile, cum ar fi: – rezistenţa la tracţiune a firelor filate; – stabilitatea dimensională a semifabricatelor din filatură (a

vălului de la cardă, a benzilor, a semitortului etc.); – stabilitatea dimensională a produselor finite, respectiv a

ţesăturilor, tricoturilor şi a materialelor textile neconvenţionale;

– stabilitatea îmbinărilor realizate prin coasere – durata de utilizare a produselor etc.

Marea majoritate a caracteristicilor produselor finite sunt influenţate în mod pozitiv de valorile mari ale coeficientului de frecare, dar procesele de prelucrare se desfăşoară cu atât mai bine cu cât coefientul de frecare al fibrelor este mai mic. Din acest motiv în industria textilă, în foarte multe procese de prelucrare, se aplică diverse metode pentru modificarea temporară a coefientului de frecare.

Valoarea coeficientului de frecare poate fi modificată, în sensul reducerii, prin tratarea fibrelor cu diferite substanţe de uleiere, sau de avivare. De regulă aceste tramente se aplică înainte de introducerea fibrelor în procesele de fabricaţie din filatură.

În procesele de prelucrare, sau pe parcursul folosirii produselor, coeficientul de frecare al fibrelor, poate suferi modificări datorită modificării structurii de suprafaţă, sau a conţinutului de substanţe însoţitoare. În timpul purtării, datorită uzurii, sau a deformaţiilor plastice pe direcţie transversală, suprafaţa laterală suferă modificări, ceea ce are ca efect modificarea coeficientului de frecare. Pentru toate procesele tehnologice specifice industriei textile cunoaşterea modului de comportare al fibrelor şi al produselor din fibre la frecare prezintă o deosebită importanţă atât pentru stabilirea destinaţiei cât şi pentru adoptarea celor mai adecvaţi parametrii de lucru. Frecarea dintre fibre face obiectul multor cercetări atât sub aspectul modificării valorii coeficientului de frecare cât şi sub aspectul metodelor pentru determinarea valorii acestui coeficient.

Fibre textile

184

Metode şi aparate pentru determinarea coeficientului de frecare

Pentru determinarea valorii coeficientului de frecare au fost

concepute şi elaborate foarte multe metode. În continuare, pentru cele mai reprezentative, vor fi prezentate principiile în baza cărora se obţin datele necesare calculării coeficientului de frecare

Metoda Marrow

Prin această metodă se determină coeficientul de frecare static. Proba de încercare se pregăteşte sub formă de mănunchi. Aparatul utilizat, a cărui schemă de principiu este prezentată în figura VI.36, este asemănător cu un dinamometru.

Fig. VI.36 Schema de principiu a metodei

Marrow 1 – fascicul de fibre; 2 – clema specială;

3 – clema inferioară; 4 – pendul

Un capăt al probei se introduce în clema de construcţie

specială 2, care permite presarea mănunchiului cu o forţă (N) de valoare cunoscută, iar celălalt capăt se fixează în clema inferioară a aparatului. Apoi, prin pornirea aparatului, respectiv prin coborârea clemei inferioare 3, se determină forţa (F) de extragere a fascicului de fibre din clema de presare, care de fapt este forţa de frecare dintre fibre şi clema de presare.

N

F

1

2

3

4


185 Cunoscându-se valoarea forţei de frecare (F) şi a forţei

normale de apăsare a probei (N) se calculează valoarea coeficientului static de frecare (μs):

NF

s =μ

Fălcile clemei de presare pot fi construite din diverse materiale, ceea ce permite determinarea coeficientului de frecare dintre fibre şi materialele respective, sau pot fi prevăzute cu garnituri din fibre, determinându-se astfel coeficientul de frecare dintre fibrele fasciculului şi fibrele cu care au fost căptuşite fălcile clemei.

Metoda balanţei

Prin această metodă se determină coeficientul de frecare cinematic (la alunecare). Şi în acest caz proba este sub formă de fascicul.

Aparatul (fig.VI.37) este prevăzut cu două role mobile 3 şi 4. Rola 3 este montată într-un lagăr fix, iar rola 4 într-un lagăr mobil. În plus, axul rolei 4 este prevăzută cu un sistem prin intermediul căruia se poate asigura o forţă de apăsare de valoare cunoscută. Iniţial, cu rola 4 îndepărtată de rola 3, se fixează fascicul de fibre 1 în clema 2 şi se stabileşte echilibru balanţei. Apoi se apropie rola 4 de rola 3 presând fasciculul de fibre cu o forţă (N) de valoare cunoscută şi se pornesc rolele.

Fig. VI.37. Schema de principiu a

metodei balanţei 1 – fascicul de fibre;

2 – clemă; 3 – rolă cu lagăr mobil;

4 – rolă cu lagăr fix

N

1

2

3 4

F

Fibre textile

186 Datorită frecării dintre fibre şi role balanţa se desechilibrează. Greutatea necesară pentru o nouă echilibrare a balanţei este egală cu forţa de frecare dintre fibre şi materialul din care sunt confecţionate rolele. Cunoscându-se mărimea forţei de frecare şi mărimea normalei se poate calcula coeficientul de frecare.

Rolele pot fi îmbrăcate cu garnituri din diferite materiale metalice, ceramice sau textile, deci se poate determina coeficientul de frecare dintre fibrele din probă şi materialele din care sunt confecţionate garniturile.

Metoda Euler

Probele supuse încercărilor prin această metodă pot fi sub

formă de fibra individuală, fasciculul de fibre, sau fir.

Fig. VI.38. Principiul metodei Euler

1 – probă; 2 – rolă

Această metodă, a cărui principiu este prezentat în figura

VI.38, constă în înfăşurarea probei 1 cu un unghi determinat α pe rola 2 sub o tensiune cunoscută T1 şi determinarea valorii tensiunii T2 care provoacă alunecarea fibrei pe rolă. Este evident că valoarea forţei T2 depinde valoarea tensiunii T1 şi a unghiul de înfăşurare α, dar depinde şi de coeficientul de frecare dintre probă şi rolă. Între aceste mărimi există următoarea relaţie, stabilită de Euler:

αμ⋅⋅= eTT 12 ⇒ 1

2ln1TT

αμ =

Determinările practice se efectuează mai precis şi mai rapid dacă proba se înfăşoară în jurul rolei cu unghi de 1800 (fig.VI.39). În acest caz coeficientul de frecare se calculează cu relaţia:

1

2ln1TT

πμ =

α

T1

T2

1 2


187

Fig. VI.39. Schema de principiu a metodei Euler

pentru o înfăşurare cu un unghi de 1800

Având la baza principiul lui Euler, profesorul Vlad a conceput

şi realizat un dispozitiv care poate fi montat în clemele dinamometrului de fibre (fig.VI.40).

Fig.VI.40. Schema de principiu a

determinării coeficientului de frecare cu ajutorul dinamometrului

1 – rolă; 2- probă; 3 – clemă inferioară; 4 – clemă superioară;

5 – călăreţ; 6 - scala forţelor

Dispozitivul este format dintr-o rolă, care se fixează în clema superioară a dinamometrului. La un capăt al probei (fibră individuală sau fascicul de fibre) înfăşurată pe rolă se aplică o forţă convenţională (T1) de mărime cunoscută, egală cu greutatea călăreţului, iar la celălalt capăt, fixat în clema inferioară, se măsoară cu ajutorul dinamometrului, valoarea forţei (T2) care determină alunecarea probei pe rolă.

În final se aplică formula lui Euler pentru determinarea coeficientului de frecare dintre probă şi materialul din care este confecţionată rola.

T1 T2

1

2

3

1

2

3

4

5 6

Fibre textile

188 Valoarea coeficientului de frecare al unei fibre este determinată de natura compusului macromolecular constituient şi de structura de suprafaţă. La fibrele de lână, coeficientul de frecare depinde de sensul de deplasare faţă de poziţia solzilor (fig. VI.41).

Fig. VI.41. Variante de deplasare a fibrelor de lână

a, b - în raport cu o suprafaţă; c, d, e - în raport cu altă fibră de lână


189

VI.6. COMPORTAREA FIBRELOR LA FORFECARE

Sunt puţine cazuri în care fibrele să fie solicitate la forfecare. Asemenea cazuri se întâlnesc la îmbinarea detaliilor fie prin coasere fie prin lipire, la tăierea produselor textile şi în special în timpul exploatării produselor.

La corpurile izotrope există o corelaţie între rezistenţa la tracţiune şi rezistenţa la forfecare şi anume:

2=r

r

QF

în care: Fr reprezintă forţa de rupere la tracţiune; Qr – forţa de rupere prin forfecare. Fibrele textile, fără excepţie, sunt corpuri anizotrope (nu au aceleaşi proprietăţi pe toate direcţiile) datorită orientării compuşilor macromoleculari în direcţia axei longitudinale. De aceea acest raport are valori mai mari de 2. Valorile acestui rapot sunt utilizate pentru aprecierea anizotropiei fibrelor: cu cât raportul este mai mare cu atât anizotropia este mai accentuată. În tabelul VI.6 sunt prezentate valorile forţelor de forfecare, pentru principalele fibre textile.

De remarcat faptul că rezistenţa la forfecare variază în limite mult mai restrânse comparativ cu tenacitatea fibrelor. Rezistenţa la forfecare se determină cu aceleaşi aparate ca şi rezistenţa la tracţiune, cu deosebirea că între clemele dinamometrului se amplasează dizpozitive care produc forfecarea probei.

Valori ale forţelor de forfecare Tabelul VI.6

Fibra Dens i tatea de lungime

(Ttex)

Tenac i tatea (cN/ tex)

For ţa de for fecare (cN/ tex)

bumbac O, i37 41 ,4 10,91 in 0,220 58,5 13,09

lâna merinos 0,416 12,48 5,76 mătase 0,288 31,41 10,77 vâscoza 10 22,73 6,58

relon 0,440 44,91 9,52 terom 0,440 38,28 9,35

Fibre textile

190


191

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

1. Antoniu, Gh., Arnăutu, I., Gribincea, V.

Fibre textile. Aplicaţii. vol 2, Ed. Dosoftei, Iaşi, 2000.

2. Antoniu, Gh.; Arnăutu, I.; Gribincea, V.

Fibre textile. Aplicaţii. vol. II, Ed. Demiurg, Iaşi, 1999

3. Asandei, N.; Grigoriu, A.

Chimia şi structura fibrelor, Ed. Academiei R.S.R, Bucureşti, 1983

4. Baron, T. Metode statistice pentru analiza şi controlul calităţii producţiei, Ed. Didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1979

5. Bădescu, A., ş.a. Agendă tehnică, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1974

6. Bordeianu, D.L.; Gribincea, V.; Arnăutu, I.

Fibre textile. Proprietăţi generale. Aplicaţii., Ed. Proşansa, Iaşi,1999

7. Bordeianu, D.L. Fibre textile, Editura Universităţii din Oradea, 2005

8. Bordeianu, D.L. Tehnologii şi utilaje în filaturi, vol I, Ed. Ancarom, Iaşi, 1997

9. Bordeianu, D.L.; Gribincea, V.; Arnăutu, I.

Fibre textile. Proprietăţi generale. Aplicaţii., Casa de Ed.itură Venus, Iaşi, 2001

10. Bordeianu, D.L.;

Gribincea V.

Tehnologii generale textile, Editura Universităţii din Oradea, 2002, ISBN 973 -613 – 055 – X

11. Bordeianu, D.L.; Oana D.,

Tehnologii generale textile, Editura Universităţii din Oradea, 2006, ISBN (10)973 -759– 036 – 8; ISBN (13)973 -759– 036 – 7

Fibre textile

192 12. Bordeianu D. L.

Cu privire la influenţa proceselor tehnologice din filaturi asupra lungimii fibrelor de bumbac, Revista Română de Textile-Pielărie, nr. 1-2/1998, pag. 13-17.

13. Cojocaru, N.N.; Clocotici, V.; Dobra, D.

Metode statistice aplicate în industria textilă, Ed. Tehnică Bucureşti, 1986

14. Gribincea, V.; Bordeianu, D.L.

Fibre textile – Proprietăţi generale, Ed. Performantica, Iaşi, 2002

15. Gribincea, V.; Bordeianu, D.L.

Materiale textile şi din piele, Casa de editură Venus, Iaşi, 2001

16. Gribincea, V.; Bordeianu, D.L.; Antoniu, Gh.

Fibre textile. Aplicaţii. vol. I, Ed. Team, Iaşi, 1999

17. Grigoriu, A.; Grigoriu, G.; Blaşcu, V.

Fibre textile multicomponente, Ed. Tehnopress, Iaşi, 2002

18. Grindea, M.; Grigoriu, A.; Hanganu, A.; Puşcaş, E.

Tehnologia chimică textilă, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1981

19. Ifrim, S. Mătasea naturală Ed. Ceres, Bucureşti, 1998

20. Ifrim, S. Chimia lânii, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1979

21. Ionescu-Muscel, I Fibre textile la sfârşit de mileniu, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1990

22. Ionescu-Muscel, I Fibre textile, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1978

23.

Ionescu-Muscel,I.; Rădulescu, S.

Structura şi proprietăţile fibrelor textile, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1970

24. Juran, J.N.; Grina, F.M.

Calitatea produselor, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1973

25. Kukin, G.N.; Soloviev, A.N.

Studiul materialelor textile, Moscova, 1989

26. Mâlcomete, O. Fibre textile, Lito I.P.Iaşi, 1994


193 27. Morton, W.,E.,ş.a. Physical properties of textile fibres,

Manchester&London, 1962, pg.288 28. Müller, M. Determinare exactă a principalelor

proprietăţi ale fibrelor, I.T.B, nr.3/1991 29. Munteanu, V. Încercări de determinare a rigidităţii la

flexiune a firelor filamentare, Industria Uşoară, 12/1968

30. Oferman, P., Reumann, R.,D.

O nouă metodă de determinare a rigidităţii la încovoiere a fibrelor şi firelor, Magyar Textil-Technica, 4/1980

31. Rozmarin, Gh.; Twardochlieb, Em.

Fibre poliesterice, Ed. Tehnică Bucureşti

32. Schonherr, K. Fasserforsch TextiletechniK nr.6/1970 33. Strepiheev, A.A.;

Dereviţkaia, V.A. Chimia compuşilor macromoleculari, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1962

34. Ştefănescu, E.; Subţirelu, M.

Analiză şi control în filatura de bumbac, M.I.U.- Centru de documentare, 1970

35. Valk, G.; ş.a. Melliand Textilberichte, nr. 5/1970 36. Vinogradov, I.S. Statistică matematică, Moscova, 1970 37. Vlad, I, Fibre textile, curs predat la facultatea de

Textile-Pielărie, Iaşi, 1986 38. Vlad, I. Fibre textile, Ed. Didactică şi

Pedagogică, Bucureşti, 1964 39. Zilberman, E.N.;

Navolokina, V.A. Chimia compuşilor macromoleculari, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1987

40 *** Manualul inginerului textilist - Secţiunea Filatură, Editura AGIR, Bucureşti, 2002, ISBN 973-8466-10-5, ISBN 973-8466-11-3

Date post:	21-Sep-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	6 times
Download:	0 times

CAPITOLUL VI PROPRIETĂŢI MECANICE - tex.tuiasi.ro. Dr. Ing. Demetra... · Rezistenţa la rupere...

Documents