Теоретико-технологическая разработка процессов герметизации швейных изделий для повышения водозащитных свойств (стр. 2 )

Анализ показал, что проектирование концентрированной операции даже при максимальном сохранении универсальности действия всегда связано с появлением ряда ограничений в ее использовании.

Проектирование концентрированных операций, приводящее к созданию комбинированных технологий, основано на применении первого метода концентрации и выполняется интегрированием в основную швейную операцию

Рис. 3. Последовательность действий при проектировании

концентрированной операции

дополнительного вида воздействия, позволяющего получить соответственно дополнительно новый технологический или декоративный эффект.

Известные технологии герметизации основаны на использовании концентрированных операций, объединяющих стачивание и фиксацию герметика на поверхности или внутри шва. Но для получения герметичного шва всегда должна быть выполнена еще одна дополнительная операция по активации функции герметизации расплавлением, растворением или сушкой герметика. Обработке подвергают только места ниточных соединений. При этом стачивающие операции приобретают целый ряд ограничений, имеют исключительно специальное назначение, сопровождаются целым рядом осложнений.

Логично для локальной герметизации швейных изделий использование веществ, механизм воздействия которых имеет ту же природу, что и водозащитная обработка текстильных материалов: для водоотталкивающих материалов – гидрофобизаторов, для водонепроницаемых – полимерных пленок и покрытий.

Для проектирования новых комбинированных технологий с применением химических веществ путем создания концентрированных операций выполнен анализ особенностей осуществления основных швейных операций при изготовлении водозащитных изделий. Показано, что стачивание может и должно быть основой для разработки концентрированных операций, но при этом зона воздействия ограничена только областью шва или строчки. ВТО свойственна наибольшая маневренность в изменении зоны обработки за счет выбора не только оборудования, но и инструментов. Комплекс механических и физических факторов, действующих при ВТО, создает условия для интенсификации процесса получения дополнительных эффектов с помощью химических веществ и материалов.

В поиске соответствий технологий придания водозащитных свойств материалам и швейного производства предполагалось выполнение их сравнительного анализа. Установлено, что производственные циклы процессов водозащитной обработки так же как и швейные операции, неразрывны, многостадийны и осуществляются непрерывно. Наиболее близка по содержанию и интенсивности воздействий к способам придания водозащитных свойств материалам швейная операция ВТО. Оба процесса содержат ряд одинаковых воздействий – увлажнение, механическое деформирование, сушку; для увлажнения и сушки используются одни и те же агенты; параметры и способы сушки совпадают; диапазон температурного воздействия одинаков, но при производстве материалов оно более длительное.

Операция стачивания наиболее отличается от рассматриваемых процессов водозащитной обработки материалов. Применение для водоотталкивающей отделки материалов химических веществ, не требующих термического фиксирования, не исключает возможность использования этой швейной операции в качестве основы концентрированной операции герметизации. Наличие различий между анализируемыми процессами требует предварительных исследований для принятия решения о возможности проектирования концентрированных операций.

Разработаны варианты схем организации концентрированных операций с учетом возможности нивелирования отличий при условии достижения необходимого эффекта герметизации. Предложено осуществлять выбор технологии герметичной обработки швейных изделий в зависимости от вида используемого для изготовления швейного изделия материала, качества его водоотталкивающей обработки и требуемого уровня водозащитного эффекта изделия в целом и на различных его участках.

В четвертой главе осуществлено проектирование комбинированной технологии герметизации проколов ниточных соединений.

В изделиях из водозащитных материалов наиболее уязвимыми при воздействии воды являются швы, а точнее, отверстия от прокола иглой. Суть разработанной технологии герметизации ниточных строчек, совмещенной последовательно-одновременно со стачиванием, заключается в доставке снизу под давлением на строчку в каждое последующее за образуемым отверстие прокола такого количества герметизирующего раствора, которого достаточно для его заполнения с целью обеспечения водонепроницаемости.

Технология реализована в концентрированной комплексной операции, включающей стачивание деталей 2-ниточной челночной однолинейной строчкой и одновременно ее герметизацию на всем протяжении. Осуществление такой операции возможно только при использовании дополнительного устройства, установленного на универсальной швейной машине, работающего синхронно с ней и предполагающего в случае необходимости его отключение при полном сохранении всех технологических возможностей машины.

Установлено, что в рамках рекомендуемых режимов стачивания всегда достигаются необходимые по качеству технологические эффекты стачивания и герметизации. Совмещение в одной концентрированной операции стачивания и герметизации не влечет за собой необходимости внесения изменений в программу осуществления соединения деталей. Поле исследований технических и технологических параметров герметизирующей обработки ограничивалось возможностью достижения максимального блокирующего эффекта без осложнения процесса стачивания.

По отношению к подающему соплу отверстие прокола иглой, заполненное переплетением швейных ниток стежка ниточной строчки, представляет собой подобие участка трубы с местным сопротивлением – задвижкой. Для случая отверстия прокола коэффициент потери напора струи жидкости составляет 88-99, т. к. f/d ≈ 7/8 при максимальном заполнении нитками отверстия прокола. Использование в устройстве верхнего отсоса позволяет обеспечить более глубокое проникновение герметика в отверстие прокола.

Выполнены гидродинамические расчеты узла «подача-отсос» устройства и определены рациональные его конструктивные параметры: диаметр подающего сопла – 0,05 см, диаметр отсасывающего сопла – 0,1 см, расстояние между соплами в рабочей части цикла обработки – толщина соединяемого пакета материалов. На основе результатов исследований изменений угла смещения стачиваемых срезов относительно линии перемещения материалов принято решение о размещении узла по линии стачивания на расстоянии одной длины стежка.

Экспериментально установлены рациональные сочетания двух основных входных параметров процесса нанесения герметика – давления подачи и вязкости герметизирующей жидкости. Для достижения необходимого эффекта с увеличением вязкости герметика требуется повысить давление подачи: при вязкости герметизирующей жидкости в пределах 13…28 сСт давление подачи должно быть в интервале 1,9…3,9 кПа; при вязкости 35,6… 45,18 сСт – соответственно 3,6…4,9 кПа. Целенаправленная подача герметика в каждый прокол, образованный иглой, при условии оптимизации параметров обработки обеспечивает минимальный расход химического вещества, соизмеримый с расходом швейных ниток на ниточную строчку, что приводит к экономичности воздействия.

Работа гидродинамической системы подачи герметизирующего раствора на ниточную строчку, соединяющую пакет материала, плотно сжатый в плоскости воздействия герметика механизмом продвижения, рассмотрена как аналог распределительного устройства, предназначенного для управления потоком вещества между проколом и участком пакета по длине стежка.

Швейные нитки не заполняют отверстие от прокола иглой полностью. Между боковыми его поверхностями и переплетением швейных ниток (рис. 4) образуются зазоры (поры, не являющиеся капиллярными, т. к. их минимальный размер больше 10-5 м) площадью S каждый. Герметик должен блокировать поры

Рис. 4. Расположение пор в отверстии прокола ниточной строчки

отверстия прокола по глубине L (зависит от толщины пакета Т и толщины швейных ниток rн). Определение условий гидродинамической обработки, обеспечивающей максимальный блокирующий эффект, являлось целью теоретического расчета. Исследуемое физико-химическое явление блокирования пор, называемое облитерацией, интенсифицируется отложением на их поверхностях компонентов протекающей жидкости. Таким образом, к стенке поры примыкает заторможенный ею тонкий слой жидкости, называемый пристеночным слоем. Его образование связано со свойством жидкости прилипать к стенкам. Толщина пристеночного слоя δ зависит от вязкости жидкости ν и от скорости V: δ ≈ 300 ν/V. Анализ соотношений размеров пор в объеме отверстия прокола и толщины образующегося пристеночного слоя герметика с учетом

параметров гидродинамического потока герметизирующей жидкости показал, что они одного порядка. Это позволило сделать вывод о возможности процесса облитерации. Кроме того, для развитого рельефа поверхности отверстия прокола большое значение имеет механическая адгезия, способствующая проникновению герметика в структуру ткани и швейных ниток и удерживанию в ней благодаря механическому заклиниванию.

На изнаночную сторону пакета материалов в процессе стачивания под давлением из сопла подачи поступает герметизирующая жидкость. До момента времени, когда отверстие прокола располагается между соплами подачи и отсоса, на ткань по линии соединения воздействует струя герметизирующей жидкости под давлением ро = рп. В отверстие прокола жидкость поступает под давлением ро, складывающимся из давления подачи рп и давления отсоса ротс. Конечную точку проникновения раствора в отверстие канала обозначим хGt+1, а промежуточное положение – хit. Примем рк = 0, поскольку жидкость не должна появиться на выходе из канала на лицевой поверхности строчки.

Процесс проникновения жидкого герметика в отверстие прокола за время dt может быть описан уравнением изменения количества движения для выделенного объема жидкости:

(3)

где ∂t – время, с; x – координата перемещения жидкости по оси 0Х, м; l – перемещение жидкости, м; Q – объем жидкости, проходящий в единицу времени через живое сечение, м³/с; V – скорость потока жидкости, м/с; ω – площадь живого сечения потока, м²; S – площадь сечения пор в отверстии прокола, м²; ρ – плотность жидкости, кг/м³; p – давление жидкости, кПа; ν – кинематическая вязкость жидкости, сСт; R = S/χ – гидравлический радиус, м; χ – смоченный периметр, м; γ – объемный вес, кг/м³.

Для случаев холостого и рабочего хода цикла герметизирующей обработки строчки давление струи жидкости на ткань соответственно:

 

(4)

и скорость струи жидкости, выходящей из сопла подачи:

 

(5)

Граничное положение герметика по длине отверстия прокола

 

(6)

где Е - начальный модуль относительной жесткости ткани, Па; S0 - площадь поры в начальный момент времени, м²; Sik - площадь поперечного сечения пор отверстия прокола в i-м узле в k-й момент времени.

Давление жидкости в порах отверстия прокола в i-й точке в k-й момент времени с учетом того, что процесс носит затухающий во времени характер

 

при 0≤ xi ≤ xGk, pik = 0 при xik > xGk. (7)

Для решения поставленной задачи применена специальная программа для ПЭВМ, позволяющая моделировать процесс заполнения отверстия прокола ниточной строчки жидкостью. Проведена экспериментальная проверка наличия взаимосвязи между расчетным значением степени заполнения отверстия прокола и фактическими значениями водоупорности и времени промокания шва для пакетов материалов разной толщины при разных параметрах образования строчки. Зависимость между расчетными и экспериментальными данными оценивали по коэффициенту корреляции и коэффициенту корреляции Пирсона. Сделан вывод о возможности использования расчетного метода для практических целей выбора рациональных параметров герметизирующей обработки (вязкости герметизирующей жидкости и давления ее подачи).

Для изделий из материалов с водоотталкивающей отделкой блокирующая обработка ниточных строчек позволяет обеспечить уровень водозащитной способности, заданный качеством ткани. Для изделий из тканей с пленочным покрытием, предназначенных для неэкстремальных условий эксплуатации, водопроницаемость ниточных соединений снижается в 1,5-2 раза, увеличивая надежность водозащитного эффекта. Исследование физико-механических показателей герметизированных швов позволило установить, что наличие обработки не снижает стойкости их к истиранию, не приводит к повышению жесткости, полученный герметизирующий эффект устойчив к химчистке, к стиркам, к фотоокислительной деструкции.

В пятой главе разработана технология локальной влажно-теплогидрофо-бизирующей обработки (ВТГО) швейного изделия.

Гидрофобизирующая обработка в процессе ВТО швейного изделия на выбранных участках (узлов, деталей и швов) предназначена взамен использования дополнительных слоев материала для дифференцированного повышения водозащитных свойств в тех местах, которые либо испытывают максимальное воздействие воды, либо имеют низкую сопротивляемость ее проникновению. В обрабатываемый пакет узла изделия при ВТО необходимо внести строго дозированное количество гидрофобизирующего раствора и одновременно нагреть его по всему объему до определенной температуры, деформировать на заданную величину, высушить, подвергнуть термообработке для фиксации гидрофобизатора в структуре пакета швейного изделия и охладить, и все это следует осуществить при минимальных затратах энергии и времени.

Выполнен анализ условий концентрации процессов ВТО и гидрофобизации швейных изделий. В работе экспериментально исследованы двенадцать вариантов схемы организации концентрированной операции ВТГО, включающие различные количества стадий операции и способы доставки растворов в обрабатываемый пакет швейного изделия, оценку возможности и эффективности контактного воздействия, изменение продолжительности термовоздействия в зависимости от применяемых гидрофобизирующих растворов и особенностей рекомендуемых режимов их использования. Применены гидрофобизирующие растворы на основе аламина С, плювиона ПЕГ, персистоля Е, препарата ГКЖ-94.

ВТГО швейного изделия обеспечивает локальную комбинированную герметизацию за счет объемной гидрофобизации участка поверхности изделия, в т. ч. соединенного строчкой пакета ткани. При сохранении количества стадий ВТО эффективны паровой или прессовой способы осуществления операции. Герметизация швов при контактном подводе тепла при более высокой температуре возможна при сохранении высокого качества обработки и одновременном сокращении продолжительности теплового воздействия.

Применение паровой рабочей среды в качестве теплоносителя и пластификатора, а кроме того, интенсификатора абсорбции водного раствора гидрофобизатора материалом создает условия при ВТО для необходимого распределения вещества в пакете.

При локальной обработке участков деталей швейного изделия распределительные отверстия должны располагаться равномерно в греющей поверхности оборудования. При герметизации швов максимальное количество вещества должно быть нанесено по линии разрушения материала иглой. Эксперименты показали, что сосредоточение основной массы потока гидрофобизирующего раствора

непосредственно на линии шва (F(10, 9) = 3,04; F = 2,97) гарантирует доставку химического вещества ко всем элементам структуры ниточного соединения. Ширина зоны герметизации зависит от расхода гидрофобизирующего раствора и в исследованиях при W = 0,025·10ˉ³ м³/м была равна 4-5 см.

Количество гидрофобизатора в пакете в целом увеличивается с уменьшением скорости первой стадии герметизирующей обработки и повышением расхода раствора, что способствует росту водоупорности (табл. 1). В результате изменяется и соотношение в распределении вещества по слоям пакета. При варьировании интенсивности потока за счет изменения расхода раствора распределение гидрофобизатора по толщине пакета остается практически постоянным. Повышение толщины пакета и толщины швов не требует при этом уменьшения скорости подачи гидрофобизирующего раствора.

Таблица 1

Влияние плотности потока парогидрофобизирующей смеси на качество ВТГО

W х10-3, м³/м	Относительное увеличение массы пакета после обработки, %
Водоупорность пакета толщиной 1,61·10-3 м, кПа
Скорость пароутюжильной обработки, м/с
0,040	0,020	0,013	0,010	0,008
0,015	4,13	4,69	4,98	5,13	5,48
4,402	4,613	4,658	4,903	4,943
0,020	6,15	6,35	7,20	7,58	8,19
4,581	4,758	4,867	4,951	5,178
0,025	6,76	6,91	7,34	8,51	9,67
4,879	4,982	5,100	5,181	5,243

Примечание: водоупорность ткани – 4,660 кПа.

Интенсивность потока парогидрофобизирующей смеси при ВТГО различных участков одежды должна выбираться дифференцированно в зависимости от начальной герметичности швов и ткани, а также от расположения в изделии и условий их деформирования при эксплуатации.

На второй стадии концентрированной операции происходит сушка.

Продолжительность сушки зависит от толщины пакета, его гигротермического состояния и условий подвода тепла. При контактной сушке передача тепла наиболее эффективна. Расчеты продолжительности сушки сведены к решению основного уравнения теплопроводности для однородного стержня конечной длины, боковая поверхность которого теплоизолирована, и выполнены для случая прогрева в аналогичных условиях воздушно-сухого материала: к пакету ткани, имеющему в начальный момент времени сушки температуру Т0 – температуру парогидрофобизирующей смеси после первой стадии обработки, прижимают поверхность, нагретую до температуры Т1. Сделано допущение, что нижняя подушка непроницаема для теплового потока. Требуется определить продолжительность времени τ, в течение которого пакет ткани известной толщины l прогреется до температуры Т2 (Т0 < Т2 < Т1), при которой полностью удаляется адсорбционно-связанная влага (для хлопка Т2 = 96-108 ºС, для остальных волокон Т2 = 83-108ºС).

Основное уравнение теплопроводности для однородного стержня без тепловых источников является однородным и линейным:

при начальных условиях

(8)

и краевых условиях

где - температура пакета ткани.

Чтобы решить эту задачу, применен метод разделения переменных и суперпозиции частных решений Фурье. Семейство частных решений

будет иметь вид:

где a - коэффициент температуропроводности ткани; Аk и Bk , λk – подлежат дальнейшему определению.

С учетом начальных и граничных условий (8) окончательное решение задачи может быть записано в виде:

 

Для нахождения продолжительности прогрева пакета ткани до температуры T2 получили приближенную формулу

(9)

Известно, что для хлопчатобумажных и смесовых тканей уменьшение влагосодержания с 103,0 до 5,0 % при одновременном росте температуры от 99,8 до 108 ºС коэффициент температуропроводности повышается в пределах 3,02-6,84·10-8 м²/с. В расчетах продолжительности сушки по формуле (9) принято значение коэффициента температуропроводности 5·10-8 м²/с.

Проверка возможности использования полученной формулы (9) для практических инженерных расчетов осуществлена путем проведения экспериментальных исследований. Для этого получены зависимости изменений температуры по слоям пакета материалов и влагосодержания пакетов в процессе сушки при температурах греющей поверхности 150-190 ºС с шагом 10 ºС. На основе использования приближенного уравнения кривой сушки в периоде падающей скорости в практических расчетах общая длительность контактного теплового воздействия определена по формуле

 

(10)

где K – коэффициент сушки, с-1; N – скорость сушки в первом периоде, с-1; ε – относительный коэффициент сушки; W0 и Wр – начальное и равновесное влагосодержание материала, кг/кг.

Сравнение полученных различными методами значений продолжительности стадии сушки пакетов материалов разной толщины при изменении температуры греющей поверхности свидетельствует о достаточной точности расчетного метода в сопоставлении с экспериментальным (расхождение составляет ± 0,3… 6,4 с; r(x, y) = 0,8939 > r(18; 0,995) = 0,5614).

Получены физические модели и их адекватное математическое описание методом ротатабельного планирования второго порядка для управления процессом формирования водозащитных свойств в ходе герметизирующей обработки аламином С, ГКЖ-94, персистолем Е, плювионом ПЕГ. В качестве критериев оптимизации служили водоупорность и время промокания в динамических условиях. На основе решения компромиссных задач установлены рациональные значения независимых факторов для обработки узлов водозащитных швейных изделий (табл. 2).

Таблица 2

Рациональные значения технологических параметров ВТГО

Наименование параметра	Вид гидрофобизатора
аламин С	ГКЖ-94	плювион ПЕГ	персистоль Е
Температура греющей поверхности, º С	166	160	160-170	170-180
Удельный расход раствора, х10-3 м³·м	0,020	0,021	0,020	0,020
Концентрация раствора, %	7,15	3,36	6,0	5,5
Удельное давление греющей поверхности, кПа Масса утюга, кг	1,48 2,4	1,72 2,8	1,48-1,72 2,4-2,8	1,48-1,72 2,4-2,8
Скорость пароутюжильной обработки, м/с	0,013	0,013	0,013	0,013
Скорость термообработки, м/с	0,015	0,007	-	-

В результате ВТГО швов широко используемых конструкций на различных участках изделия их герметичность увеличивается: водоупорность – на 20-45 %, степень герметичности – на 26,7-73 %, время промокания – на 30-400 %. Аналогичные экспериментальные результаты получены при исследовании узлов швейных изделий из тканей различного волокнистого состава, плотности и вида отделки. Достигнутый технологический эффект герметичности ниточного соединения сохраняется при действии различных разрушающих эксплуатационных факторов и не влияет на физико-механические показатели швов.