رفتار کششی نخ ها الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم: نتایج تئوری و تجربی

رفتار کششی نخ ها الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم: نتایج تئوری و تجربی–  www.irantarjomeh.ir

مقالات ترجمه شده آماده گروه  نساجی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

رفتار کششی نخ ها الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم: نتایج تئوری و تجربی

رفتار کششی نخ ها الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم: نتایج تئوری و تجربی

مدلسازی تئوری رفتار کششی نخ های ریسیده شده با الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم  قسمت دوم: نتایج تئوری و تجربی

چکیده

به منظور  تایید مدل نظری رفتار کششی الیاف کوتاه یا استپل که در بخش  اول این سری از مقالات ارائه شد، تستهای کششی سیکلی (مشابه تهیه منحنی هیستریزیس برای سنجش خستگی الیاف) و آزمون‌های یکنواختی انجام شد. بعلاوه، به منظور بررسی رفتار کششی نخ تعدادی از پارامترهای نخ تغییر داده شده و اثر آنها بر روی رفتار کششی نخ  مطالعه شد. پارامترهای مورد بررسی عبارتند از: تاب نخ، نمره نخ، ضریب اصطکاک لیف و نوع الیاف بودند. مقایسه بین داده‌های تجربی و داده­های پیش بینی شده توسط مدل نشان داد که رفتار کششی نخ تحت اعمال نیرو/ بارهای کششی سیکلی و یکنواخت با داده­های پیش بینی شده توسط مدل تجربی مطابقت دارند. استحکام نخ و شکل کلی منحنی تنش- کرنش نخ به خوبی از این مدل قابل دستیابی است. همچنین، اثر پارامترهای پیش بینی شده نخ بر رفتار آن در تطابق مناسبی با نتایج تجربی می‌باشند.

کلمات کلیدی: نخ ریسیده شده از الیاف کوتاه (نخ استپل)، نیمچه نخ، رفتار کششی، رفتار سیکلی

مقدمه

قسمت اول این سری مقالات، نسبت به ارائه مدلی برای نشان دادن رفتار بار/ نیرو- ازدیاد طول نخهای ریسیده شده از الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم و با اعمال نیروی یکنواخت و سیکلی اقدام نموده است.  اساس مدل  ارائه شده  بررسی ویژگیهای مکانیکی نخ با توجه به لغزش نخ در شرایط اعمال و حذف بار یا نیروی کششی است. در این مقاله نتایج تجربی بررسی رفتار کششی نخ استپل تحت اعمال نیرو بصورت سیکلی و یکنواخت گزارش داده می­شود. نتایج مشاهده شده برای تائید کردن اعتبار مدل تئوری استفاده می­شود.  یک مطالعه پارامتریک نیز برای ارزیابی اثر گذاری پارامترهای  انتخاب شده بر رفتار نخ انجام شده است.

نمونه‌ها

نمونه‌های مختلف چندین نیمچه نخ برای بررسی نخ استپل کم تاب مورد استفاده قرار گرفتند. پارامترهای مورد توجه شامل: تاب نخ، نمره نخ ، نوع نخ و ضریب اصطکاک الیاف می­باشند. نمونه­ها بصورت زیر طبقه بندی شدند:

اثر نوع الیاف: پنبه ۱ (نیمچه نخ پنبه) و پلی استر۱ (نیمچه نخ پلی استر)

اثر سطح تاب : پنبه ۲ (تاب بیشتر) و پنبه ۳ (تاب نرمال)

اثر نمره نخ: پنبه ۱ ( دانسیته خطی کم) و پنبه ۳ ( نمره نخ نرمال)

اثر اصطکاک: پنبه ۴ (با استفاده از روغنکاری) و پنبه ۵ (با فرآوری آب)

پارامترهای نمونه نخ و لیف  در شکل ۱ لیست شده است. همانگونه که نتایج تجربی تایید می­کنند، همه  نمونه­ها مانند نخ استپل رفتاری همانند نخ کم تاب داشته و جدول ۱ نقطه پارگی الیاف را نشان می­دهد.

آماده کردن نمونه­ ها

نیمچه نخ پلی استر و پنبه به کمک نوعی پروسه تولید نیمچه نخ تهیه شد. نمونه با تاب بیشتر (پنبه۲) با افزودن تعداد دور تاب و استفاده از دستگاه تاب سنج تهیه گردید. نمونه­ها با  خواص اصطکاکی مختلف تحت عملیات تکمیل سطحی با آب و روغن قرار گرفتند. شرایط تکمیل سطحی در زیر تشریح شده است:

دو بوبین نیمچه نخ پنبه­ای آماده شد. یک بوبین با محلول ۴ درصد وزنی.. 

(نرم کننده /روان کننده نانیونیک اصلاح شده) با درصد برداشت ۸۰% بر روی دستگاه پد کننده Wener Mathis HVF تحت عملیات فولارد قرار گرفت. سپس در دمای ۴۵°C  به مدت یک شب خشک شد. از آنجایی که جابجا کردن نیمچه نخ در طول انجام پروسه تکمیل ممکن است موجب تغییر ساختاری نخ گردد، بوبین دیگری نیز تحت همان شرایط تکمیل شد ولی به جای کاربرد روغن به عنوان روان کننده از آب استفاده شد و به این ترتیب هرگونه اثر ناشی از جابجا کردن  بوبین نیمچه نخ ها بر خصوصیات ساختاری نخ حذف شد. 

رفتار کششی نخ ها الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم: نتایج تئوری و تجربی

تعیین پارامترهای نمونه

داده­های جدول ۱ به عنوان  اطلاعات ورودی مدل  مطالعه در نظر گرفته شد. شعاع نخ  R به کمک پروسه آنالیز تصویر (پردازش تصویری) اندازه گیری شد. ۵ نمونه مورد آزمایش قرار گرفت.

تاب نخ به کمک تاب سنج اندازه­گیری شد. نمونه ای به طول ۲۵۴ mm بین گیره ها قرار گرفت. برای هر نمونه  نخ  ۵ مورد آزمایش شد. 

دانسیته یا وزن مخصوص خطی نخ به کمک اندازه­گیری جرم بخشی از نخ به طول  ۱٫۲۰ m و  سپس محاسبه جرم ۱۰۰۰ متر نخ بدست آمد. برای هر نوع نخ ۵ نمونه آزمایش شد.

مدول الیاف  E_f با تعیین شیب منحنی تنش – کرنش حاصل از آزمایش کشش الیاف محاسبه  شد. تست بر روی دستگاه اینسترون انجام شد.  اندازه طول مورد استفاده ۲۵٫۴ mm بود

متوسط طول الیاف  L_f با اندازه­ گیری  مستقیم طولهای تک تک الیاف تخمین زده شد. ۲۰ طول  نمونه اندازه­گیری شد.

از آنجایی که سطح مقطع الیاف پلی استری بصورت دایره می­باشد قطر این الیاف d_f به راحتی  اندازه­گیری شد. در این  تحقیق از روش انکسار نور لیزر جهت اندازه­گیری سطح مقطع الیاف پلی استری استفاده شد. ۲۰ نمونه مورد آزمایش قرار گرفت. چنین روشی نمی­تواند برای الیاف پنبه ای استفاده شود زیرا سطح مقطع الیاف پنبه    دایره ه­ا یک شکل نیست و بیشتر شبیه یک لوله مسطح (لوبیایی شکل) می باشد. در این تحقیق، بر اساس مقادیر ارائه شده در تحقیقات قبلی  مقدار عددی ۱۳ µm برای قطر سطح مقطع الیاف پنبه در نظر گرفته شد . بر اساس این تحقیقات، جرم مخصوص(r_f) الیاف پنبه ۱٫۵۲ g/cm³ و جرم مخصوص الیاف پلی استر ۱٫۳۴ g/cm³      می­باشد.  

تست  کشش نخ تحت نیروی یکنواخت

نمونه به کمک ماشین اینسترون ( مدل ۵۵۶۷) و بر اساس متد استاندارد ASTM D2256 تست شد. یک بارسنج ۱۰۰ نیوتنی استفاده شد. لوله انتهای میل لنگ بر روی سرعت mm/min 300 تنظیم شد و اندازه طول نخ کاربردی ۱۰۰ mmتعیین شد. سپس نمونه­های هر  نوع نخ آزمایش شدند. تست در دمای۲۰°C و رطوبت نسبی  ۶۵%  انجام شد

تست کشش نخ  تحت اعمال نیروی سیکلی

تست کششی  نخ تحت  اعمال نیروی سیکلی  انجام شد و نتایج مورد بررسی قرار گرفت. نخ بصورت متوالی تحت  اعمال نیرو و حذف نیرو قرار گرفت. شرایط انجام آزمایش مانند حالت اعمال  نیروی یکنواخت بوده است، با این تفاوت که سرعت میل لنگ دستگاه بر روی ۳۰ mm/min تنظیم شد.

رفتار کششی نخ ها الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم: نتایج تئوری و تجربی

بررسی مدل و نتایج حاصله

مدل نظری که در بخش اول (این سری از مقالات) ارائه شد، به منظور پیش گویی رفتار کششی نمونه نخهای لیست شده در جدول ۱ بکار رفت. اشکال ۲ تا ۵ منحنی نیرو- ازدیاد طول نیمچه نخ  انواع نخهای با تاب، نمره و تکمیل سطحی مختلف را به ترتیب نشان می‌دهند. جدول ۲ رفتار کششی  نخهای مختلف را تحت اعمال نیروی یکنواخت نشان می­دهد. این جدول نشان دهنده متوسط یک ماکزیمم نیرو و ازدیاد طول تا حد پارگی پیش بینی شده و تجربی می­باشد .

مطالعات پارامتری

خواص مکانیکی نخ تحت تأثیر پارامترهای زیادی قرار می­گیرد، مانند نوع نخ، تاب نخ، اصطکاک الیاف، طول الیاف، ظرافت الیاف و نمره نخ. مطالعات پارامتری به منظور ارزیابی  اثر خواص نخ و لیف بر رفتار مکانیکی نخ انجام گرفته است. از آنجایی که مهمترین ویژگی الیاف کوتاه، لغزش لیف در انتهای آن به دلیل ناپیوستگی الیاف است، اثر پارامترهای لیف /نخ را باید در  لغزش لیف، توزیع تنش الیاف و رفتار نخ  کاوش کرد تا بتوان شناختی از خواص مکانیکی و ساختاری  نخهای استپل( تهیه شده از الیاف کوتاه) بدست آورد.

لغزش الیاف و توزیع تنش به عنوان تابعی از موقعیت لیف در نخ

به دلیل تغییرات فشار و درصد ازدیاد طول کششی، الیاف در شعاعهای مختلفی نسبت به محور نخ قرار  می­گیرند و در نتیجه  برای یک  ازدیاد طول نسبی مشخص لیف بصورتهای متفاوتی عکس العمل نشان می دهد  (Pan, 1992 and 1993). شکل ۷ تغییرات نسبت لغزش لیف را  نسبت به شعاع نخ نشان می دهد.  مشهود است که هرچه از مرکز لیف به سطح لیف  نزدیکتر می شویم  نرخ لغزش لیف l  زیاد می­شود. این امر به دلیل  تغییرات فشاری در سرتاسر نخ است. در بخش بیرونی تر نخ، یعنی جایی که فشارهای جانبی کم است، حتی تنش الیاف در نقطه میانی از طول لیف نمی­تواند به میزان ازدیاد طول نخ برسد. بنابراین همه الیاف امکان لغزش را دارند و نرخ لغزش l محاسبه شده  در بیرونی ترین بخش نخ برابر ۱ خواهد بود.

اثر نوع نخ

 شکل ۱ و ۲ نشان می­دهد که  نخهای پلی استر و پنبه تحت نیروی کششی رفتار متفاوتی را نشان می دهند. برای یک تاب مشخص میزان  ازدیاد طول نسبی پنبه ۱ و پلی استر۱ در نقطه پیک نیرو  دارای روند بسیار مشابهی  هستند. ولی ماکزیمم نیرو  و مدول نخ پلی استر از پنبه بیشتر است. این نتیجه قابل انتظار است، زیرا طول الیاف کوتاه پلی استر از پنبه بیشتر است و نیز الیاف  پلی استر نسبت به پنبه سخت تر هستند و دلیل دیگر آنکه  ضریب اصطکاک  الیاف پلی استری از الیاف پنبه‌ای بیشتر است. اگر شکل و روند کلی منحنی نیرو- ازدیاد طول را مقایسه کنیم، مشاهده می‌گردد که منحنی  نیرو- ازدیاد طول الیاف پلی استر شیب تندتری دارد. نیرو به سرعت افزایش می یابد و سریعاً کم می­شود. نمونه های پنبه ای منحنی نیرو- ازدیاد طول ملایم تری دارند، زیرا بعد از پیک ماکزیمم نیرو، شیب منحنی به تدریج کاهش می یابد. از آنجایی که الیاف پلی استر  خیلی صاف و مستقیم هستند  الیاف تماس بیشتری با هم داشته و بهتر در کنار هم آرایش می یابند. بنابراین نخ پلی استری به فشار بسیار حساس است. هنگامیکه تنش نخ رو به کاهش می گذارد، منجر به کاهش فشار بین الیاف می­شود و در نتیجه  نیرو به شدت کاهش می­یابد. برای یک دسته الیاف پنبه­ای نواری شکل ساختار نخ کاملاً فشرده نیست و پروسه پارگی در نهایت رخ خواهد داد. 

اثر ضریب اصطکاک الیاف

اصطکاک بین الیاف در تعیین عملکرد نخهای تهیه شده از الیاف کوتاه بسیار حائز اهمیت است (Langenhove,1997a, b and c).  بطور کلی الیاف مختلف ضریب اصطکاک مختلفی دارند. به علاوه نخ و الیاف بعد از  تکمیل شدن فیزیکی و یا شیمیایی خواص اصطکاکی مختلفی از خود نشان می­دهند. مطالعاتی در این زمینه اطلاعات مفیدی را به منظور هدایت پروسه تولید نخ و رسیدن به کیفیت و خواص  مطلوب محصول در اختیار ما قرار می‌دهد.

رفتار کششی نخ ها الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم: نتایج تئوری و تجربی

اثر طول الیاف

طول نخ فاکتور دیگری است که بر خواص مکانیکی نخ اثر می­گذارد. هنگامیکه طول نخ افزایش می یابد، نسبت بخشهای قابل لغزش لیف نسبت به طول  لیف کمتر می­شود. بنابراین میزان کاهش تنش در انتهای الیاف کمتر می­شود. این امر موجب ایجاد تنش بیشتر برای ازدیاد طول نسبی مشخص می­شود. شکل ۱۰ اثر طول الیاف بر خواص کششی نخ تا نیروی بیشینه را نشان می­دهد.

اثر قطر الیاف

قطر الیاف بر خواص کششی نخ  اثر می گذارد، توضیحات کیفیتی در مورد اثر تغییرات قطر الیاف بر خواص کششی نخ توسط محققی به نام هرل و همکاران (۱۹۶۹)  ارائه شده است. با توجه به لیفی به قطر rf، تنش الیاف موجب افزایش  لغزش به میزان e²f خواهد شد در حالیکه ضریب اصطکاک به میزان rf زیاد می­شود. بنابراین هر چه لیف ضخیم تر باشد میزان تنش بیشتری  ایجاد می­شود. این تنش بر اصطکاک بین الیاف که در مقابل لغزش الیاف جلوگیری می­کند غلبه خواهد کرد و در نتیجه لغزش الیاف بیشتر خواهد شد. بنابراین هرچه الیاف ظریفتر باشند نخ حاصله از ریسیدن الیاف استحکام بیشتری خواهد داشت. فرضیه اصلی که برای این آنالیز در نظر گرفته شد آن است که مدول الیاف با قطر نخ تغییر نمی­کند.

اثر تاب نخ

تاب نقش بسیار مهم و کلیدی را  در نخهای ریسیده شده از الیاف کوتاه بازی می­کند. تاب کمک می کند تا الیاف  از طریق نیروی اصطکاکی به یکدیگر متصل گردند و نتیجه آن ایجاد استحکام برای نخ  استپل می باشد (گریگوری، ۱۹۵۳ الف و ب). هر چند ممکن است به دلیل کجی الیاف،  تاب موجب کاهش استحکام نخ نیز شود. شکل ۳ مقایسه ای از  رفتار نیرو- ازدیاد طول  نخها با تاب مختلف را نشان می دهد. مشاهده می شود که تاب نخ به شدت  بر رفتار کششی  نخ تأثیر می‌گذارد، مانند اثر بر استحکام نخ، مدول نخ و شکل کلی منحنی نیرو- ازدیاد طول. در رنج مورد مطالعه هرگونه افزایش در تاب نخ موجب افزایش استحکام نخ می­شود. دلیل اصلی این امر افزایش چسبندگی بین الیاف است. میزان ازدیاد طول نسبی تا حد پارگی (ماکزیمم نیرو) با افزایش تاب نخ افزایش می یابد. 

رفتار کششی نخ ها الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم: نتایج تئوری و تجربی

اثر نمره نخ

نمره نخ نیز فاکتوری است که بر خواص کششی نخ اثر می گذارد (هولداوی، ۱۹۶۵). اگر جرم نخ بر واحد طول  نخ کم باشد، به عبارت دیگر، اگر تعداد الیاف کمتری در سطح مقطع نخ قرار داشته باشند نسبت وجود الیاف در لایه های بیرونی نسبت به نخی که دانسیته خطی بیشتر دارد بیشتر است. از آنجایی که الیاف موجود در لایه های بیرونی  به مقدار  الیاف در لایه های درونی در ایجاد تنش نخ دخالتی ندارند نخ با دانسیته خطی کمتر  به تدریج ضعیف تر می شود. حتی اگر استحکام نخ با توجه به دانسیته خطی نخ نرمال باشد. نتایج آزمایشی دو نمونه با نمره نخهای مختلف در شکل ۴ نشان داده شده است. این شکل حاکی از آن است که برای یک نخ با تاب نخ و ظرافت مشخص الیاف نیروی ماکزیمم (تا حد پارگی نخ) با افزایش نمره نخ افزایش خواهد یافت.

محدودیتهای مدل

از آنجایی که دانسیته بوبین الیاف با موقعیت شعاعی بتدریج تغییر می کند نرخ  جمع شدگی جانبی     v تابعی از ازدیاد طول نسبی و موقعیت آن لیف در نخ می باشد. الیافی که در بخش خارجی نخ قرار دارند نرخ  جمع شدگی بیشتری نسبت  به الیافی دارند که در مرکز نخ قرار گرفته اند. در مدل حاضر نرخ جمع شدگی در شعاعهای مختلف نخ، یکسان در نظر گرفته شده است و از تغییرات جمع شدگی جانبی با شعاع صرفنظر شده است، اگر چه در نظر گرفتن این مورد، منجر به پیشگویی‌های بهتری از توزیع ازدیاد طول نسبی و رفتار لیف خواهد شد، محاسبه نرخ جمع شدگی جانبی الیاف  در شعاعهای مختلف از محور نخ دشوار است.

نتیجه گیری

به منظور تأیید مدل تئوری که در بخش اول این سری مقالات ارائه شد، آزمایشاتی تحت اعمال نیروی یکنواخت و سیکلی بر روی الیاف انجام گرفت. تعدادی از پارامترهای نخ تغییر یافته و اثر آنها بر رفتار نخ بررسی شد. نتایج زیر از مطالعات انجام شده به دست آمده است:

به دلیل تغییرات فشاری در سرتاسر نخ، الیافی که در بخش خارجی نخ قرار گرفته اند نسبت به الیافی که در مرکز نخ قرار گرفته اند، نرخ لغزش بیشتری دارند. بعلاوه، با افزایش ازدیاد طول نسبی نخ، نرخ لغزش الیاف در مناطق بیرونی تر نخ (مناطقی که از محور نخ دورتر هستند) بیشتر از نرخ لغزش الیاف در مرکز نخ می­باشد . رفتار نخ با تغییر تاب نخ، نمره نخ، ضریب اصطکاک الیاف و نوع الیاف تغییر می­کند . در محدوده مطالعه شده، افزایش تاب نخ، نمره نخ و ضریب اصطکاک نخ افزایش استحکام نخ را به دنبال داشته است.در مطالعات پارامتری، مشخص شد که تاب نخ، نمره نخ، ضریب اصطکاک الیاف، طول الیاف و ظرافت الیاف بر نرخ لغزش الیاف، توزیع تنش الیاف و نتیجتاً رفتار نهایی نخ اثر می­گذارند.مقایسه بین نتایج تجربی و داده­های پیش بینی شده مدل تئوری نشان داد که رفتار پیش بینی شده نخ تحت اعمال نیروی کششی یکنواخت و سیکلی به خوبی با نتایج تجربی سازگار است. استحکام نخ و شکل کلی منحنی تنش- کرنش به کمک مدل نظری قابل دستیابی است.

رفتار کششی نخ ها الیاف کوتاه (استپل) با تاب کم: نتایج تئوری و تجربی