На правах рукописи

ФОКИНА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ОГНЕСТОЙКОГО ТРИКОТАЖА ДЛЯ ПОЛЕТНЫХ КОСТЮМОВ

КОСМОНАВТОВ

05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных

материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой

степени кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре технологии тканей и трикотажа Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук

Ведущая организация ФГОУВПО «Российский

государственный университет

туризма и сервиса»

Защита диссертации состоится « 24 » мая 2011 года в 15ºº часов на заседании диссертационного совета Д 212.201.01 при Российском заочном институте текстильной и легкой промышленности Москва, Народного Ополчения улица, дом 38, корпус 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности».

Автореферат разослан « 22 » апреля 2011 года

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.201.01,

кандидат технических наук

АННОТАЦИЯ

В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке технологии изготовления трикотажа для полетных костюмов космонавтов с высокими огнестойкими, гигиеническими и физико-механическими свойствами.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Проведенный анализ свойств выпускаемых до настоящего времени огнестойких трикотажных полотен для полетных костюмов выявил их несоответствие ряду современных исходных требований, касающихся физико-механических свойств, в частности по пылевыделению, и показал необходимость разработки огнестойкого трикотажа из синтетической нити нового поколения, обладающей высокой огнестойкостью и улучшенными гигиеническими свойствами.

Для этого были исследованы свойства различных современных огнестойких волокон и нитей и на их основании разработана классификация термо-, огнестойких материалов по составу арамидных групп. Исследования показали целесообразность использования нитей Арлана метапараарамидной группы, сочетающих в себе прочность параарамидов с гигиеническими и эластическими свойствами метаарамидов.

Так же был выполнен теоретический анализ структурных элементов кулирного комбинированного трикотажа и экспериментальное исследование свойств производных и комбинированных переплетений, показавшее, что наилучшим комплексом физико-механических и гигиенических свойств обладает переплетение «французское пике».

Разработан алгоритм и создан программный продукт в среде программирования Delphi для автоматизированного проектирования основных параметров производных и комбинированных переплетений.

Проведено исследование пылевыделения огнестойкого трикотажа при истирании в зависимости от процентного содержания пряжи Арлана в полотне и плотности вязания по вертикали.

Разработана и внедрена в производство технология изготовления огнестойкого трикотажа для полетных костюмов космонавтов из огнестойкой синтетической пряжи Арлана.

Автор защищает

- технологию изготовления нового огнестойкого трикотажа из метапараарамидной пряжи Арлана;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований свойств огнестойкого трикотажа;

- разработанный программный продукт в среде программирования Delphi для проектирования основных параметров производных и комбинированных переплетений.

Актуальность темы

Основной отечественной концепцией в создании полетной одежды для космонавтов является комфортность, безопасность и эргономичность, что обеспечивается определенным набором гигиенических и физико-механических свойств трикотажа. Одним из важнейших свойств материала для полетной одежды является огнестойкость, так как космонавты работают в среде с повышенным содержанием кислорода. Используемые до настоящего времени трикотажные полотна, состоящие из 70% огнезащищенной шерстяной пряжи (ОШП) и 30% огнестойких нитей Фенилон или Терлон не соответствуют ряду современных исходных требований, предъявляемых к трикотажу. Так шерсть после огнестойкой пропитки становится хрупкой. При увеличении продолжительности полетов и длительности эксплуатации одежды, это приводит к увеличению выделения пыли, что недопустимо в условиях замкнутого пространства. Кроме этого производство ОШП является ненадежным и дорогостоящим. Нити Фенилон и Терлон имеют недостаточные гигиенические свойства.

В связи с вышеизложенным, возникла необходимость разработать технологию изготовления нового огнестойкого трикотажа с улучшенными физико-механическими и гигиеническими свойствами.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка технологии изготовления нового огнестойкого трикотажа для производства полетных костюмов космонавтов из современной огнестойкой пряжи, не поддерживающего горение в атмосфере, обогащенной кислородом до 40%, и обладающего высокими гигиеническими, физико-механическими свойствами и пониженным пылевыделением.

Задачи исследований

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- исследованы свойства огнестойких волокон и нитей и вырабатываемых огнестойких трикотажных материалов для производства полетных костюмов;

- разработаны структура и технология получения огнестойкого трикотажа в соответствии с исходными требованиями Заказчика;

- экспериментально исследованы физико-механические и гигиенические свойства разработанного трикотажа;

- создан программный продукт для автоматизированного проектирования основных параметров комбинированных и производных переплетений;

- исследованы факторы, влияющие на пылевыделение трикотажа, и разработаны способы его устранения;

- разработана нормативно-техническая документация на новый огнестойкий трикотаж.

Методы и средства исследования

Для решения поставленных задач в диссертации использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Научно-теоретической и методической основой работы являются труды отечественных и зарубежных ученых по теории вязания. Проведение экспериментальных исследований основано на применении методов математической статистики, основных положений, относящихся к анализу и проектированию трикотажных полотен, способам их получения, теории вязания и строения трикотажа, методов математического планирования эксперимента с использованием стандартных математических программ (Excel, MathCAD). Разработанные алгоритмы применены на ПЭВМ, в частности с использованием новых и стандартных вычислительных программ (Excel, MathCAD 14, Delphi). Необходимые измерения исследуемых образцов проводились согласно стандартизированным методикам ГОСТов.

Научная новизна

заключается в том, что:

- разработана технология вязания нового огнестойкого трикотажа для полетных костюмов космонавтов из 100% новой огнестойкой синтетической пряжи Арлана с требуемыми огнестойкими и гигиеническими свойствами;

- проведено теоретическое исследование свойств огнестойких волокон и нитей, предложена их классификация с учетом связей в арамидных группах;

- проведено теоретическое проектирование основных параметров огнестойкого трикотажа;

- выявлены закономерности влияния процентного содержания пряжи Арлана и плотности вязания по вертикали на основные параметры огнестойкого трикотажа и получены математические модели, описывающие эти закономерности;

- разработана методика проектирования основных параметров огнестойкого трикотажа и создан программный продукт в среде программирования Delphi для автоматизированного проектирования основных параметров кулирных комбинированных и производных переплетений;

- теоретически определены и практически установлены факторы, влияющие на пылевыделение трикотажа.

Практическая значимость и реализация результатов работы

- решена конкретная задача по разработке структуры и технологии изготовления огнестойкого трикотажа для полетных костюмов космонавтов из отечественной пряжи Арлана в соответствии с исходными требованиями;

- получены экспериментальные значения физико-механических и гигиенических свойств огнестойкого трикотажа, подтвердившие его высокие функциональные свойства, определены оптимальные технологические параметры изготовления, отработаны технологические режимы;

- разработана программа в среде Delphi, позволяющая автоматически проектировать основные параметры комбинированных и производных переплетений;

- исследованы факторы, влияющие на пылевыделение полотна, разработаны способы его устранения;

- на огнестойкий трикотаж разработана нормативно-техническая документация. Результаты работы внедрены в технологический процесс производства полетных костюмов для космонавтов на Инвест» и «Звезда».

Апробация работы

проводилась на производственных предприятиях «Звезда», Инвест». Основные положения диссертационной работы обсуждались на заседаниях кафедры «Технология тканей и трикотажа» РосЗИТЛП в г. г., а также на:

- Международной научно-технической конференции «Текстиль и химия 2006: Волокна; Красители; ТВВ; Оборудование; Приборы; Технологии» (июнь 2006 г.). Стендовый доклад.

- Международной научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности», г. Москва, ГОУВПО «МГТУ им. », 2008 г.

- Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2008), г. Москва, ГОУВПО «МГТУ им. », 2008 г.

- Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2009), г. Москва, ГОУВПО «МГТУ им. », 2009г.

- Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2010), г. Москва, ГОУВПО «МГТУ им. », 2010г.

- Международной научно-технической конференции «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности» 2010, г. Москва, ГОУВПО «РосЗИТЛП», Международная Академия Информатизации, 2010 г.

Публикации По материалам работы опубликовано 3 статьи, 5 тезисов докладов научных конференций.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав с выводами, общих выводов по работе, библиографического списка используемых литературных источников и 9 приложений. Содержание диссертации изложено на 217 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунок, 35 таблиц; библиографический список используемых литературных источников включает 101 наименование. Приложения представлены на 43 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлена цель и сформулированы задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния производства огнестойких текстильных материалов. Все работы, тесно связанные с темой диссертации, рассматривались по следующим направлениям: работы, связанные с методами получения шерстяных огнестойких материалов; работы, связанные с анализом трикотажных материалов, применяемых для производства полетных костюмов.

В результате анализа установлено, что химическая модификация приводит к изменению структуры волокон шерсти, вследствие этого происходит снижение физико-механических свойств трикотажа, ускоряется разрушение элементарных волокон и увеличивается пылевыделение. Поэтому трикотажные полотна, имеющие в структуре 70% ОШП и 30% нитей Фенилон или Терлон, не соответствуют ряду современных исходных требований к трикотажу для производства полетных костюмов космонавтов.

Во второй главе проведено исследование свойств огнестойких химических волокон и нитей и предложена их классификация с учетом связей в арамидных группах и изменением свойств от наличия различных имидных групп. Выявлено, что наибольшее применение в производстве тканей для защитной одежды сварщиков, сталеваров и др. получили особопрочные жесткие огнестойкие нити параарамидной группы (Тварон, Кевлар и др). В трикотажном производстве получило распространение применение метаарамидных нитей Номекс, Конекс, обладающих эластичностью, но имеющих невысокий кислородный индекс (КИ 27-28%). Проведенный анализ свойств нового метапараарамидного отечественного огнестойкого волокна Арлана показал, что данное волокно сочетает в себе прочность параарамидов с гигиеничностью и эластичностью метаарамидов и обладает качествами, необходимыми для производства полетных костюмов.

В третьей главе проведен теоретический анализ структур кулирных производных и комбинированных переплетений, известных из работ , , и др. Установлено, что для получения формоустойчивого трикотажа пониженной материалоемкости с высокими износостойкими свойствами, целесообразно в структуре производных и комбинированных переплетений иметь удлиненные протяжки неполного ластика и производной глади.

Разработан алгоритм и создан программный продукт в среде программирования Delphi для автоматизированного проектирования основных параметров производных и комбинированных переплетений. Выполнено автоматизированное проектирование основных параметров исследуемых переплетений с целью выявления оптимальных.

В четвертой главе проведен эксперимент по выработке кулирных комбинированных переплетений и исследованию их свойств. В связи с тем, что проанализировать свойства всех производных и комбинированных переплетений не представляется возможным из-за их многообразия, на основании проведенного теоретического анализа из различных групп производных и комбинированных переплетений на базе двуластика, ластика и производной глади было отобрано 11 вариантов переплетений.

Все образцы были выработаны из чистошерстяной пряжи линейной плотности 19 текс х2. Вязание образцов осуществлялось на кругловязальной машине «Мультикомет» (модель 5611), имеющей: диаметр игольного цилиндра – 30 дюймов, класс - 18, число игл - 2х1680, число вязальных систем – 48, скорость вязания – 0,75 м/с.

В целях определения равных условий для сравнительного анализа свойств переплетений в течение всего эксперимента поддерживались постоянными входное натяжение подаваемых нитей, глубина кулирования, усилие оттяжки полотна на единицу петли. После суточной отлежки, полотна подвергают влажно-тепловой обработке в соответствии с технологическим режимом для приведения трикотажа в условно-равновесное состояние.

В табл. 1 даны графические записи выработанных переплетений. В качестве базового переплетения взят интерлок (вариант 1).

Таблица 1 – Графические записи производных и комбинированных переплетений

Вариант 1 – интерлок 1+1

Вариант 2 - комбинированное на базе ряда интерлока и 2 рядов производной глади

Вариант 3 – комбинированное на базе ряда интерлока и ряда производной глади

Вариант 4 – производное на базе ластика 3+3

Вариант 5 – комбинированное на базе глади и неполного ластика

Вариант 6 – производное на базе неполного ластика «диагональ»

Вариант 7 – производное на базе неполного ластика

Вариант 8 - производное на базе неполного ластика со смещением «драп»

Вариант 9 – производное на базе неполного ластика

Вариант 10 – комбинированное на базе 2 видов неполного ластика и неполной глади

Вариант 11 – комбинированное на базе неполного ластика и производной глади (французское пике)

Отбор 5 элементарных проб для каждого вида испытаний осуществлялся в соответствии с ГОСТ 8844-75. Испытания проводились по стандартным методикам. Полученные результаты обработаны методами математической статистики при доверительной вероятности 0,95.

В табл. 2 представлены средние значения результатов испытаний.

Таблица 2 – Результаты физико-механических испытаний образцов

№ вар.

Плотность вязания

Поверхностная

плотность, г/м²

Разрывная

нагрузка, Н

Разрывное

удлинение,

%

Устойчивость к истиранию, об.

Растяжимость при нагрузке

6 Н, %

Обратимая деформация, %

Остаточная деформация, %

Пг

Пв

по длине

по ширине

по длине

по ширине

по длине

по ширине

по длине

по ширине

по длине

по ширине

1

99

96

347

359

242

10

228

116

44,8

61,4

78

68

4,3

7,2

2

95

115

349

346

407

37

135

139

37,1

48,5

85

77

2,6

5,8

3

96

100

334

317

388

46

140

148

36,9

47,9

85

71

2,1

5,0

4

98

97

361

388

237

54

171

111

25,4

42,8

81

81

2,7

2,9

5

100

115

364

431

402

40

150

151

25,0

41,9

90

83

2,4

3,1

6

93

95

326

321

250

45

120

123

26,5

39,6

89

89

0,9

1,7

7

96

96

329

418

259

51

121

129

27,1

38,1

91

88

1,1

1,4

8

92

96

326

371

266

47

102

141

26,9

40,5

90

89

0,8

1,8

9

92

94

320

411

220

47

110

117

27,0

38,2

93

92

1,2

1,5

10

100

95

323

354

381

28

100

138

17,9

30,2

99

97

0,4

0,6

11

96

106

322

372

395

40

104

176

15,4

26,0

100

98

0

0,2

Исходные

требования

-

-

не более 400

не менее 300

не менее 200

не более 100

не более 200

не менее 160

-

I группа

-

-

-

-

В результате анализа свойств исследуемых переплетений в качестве оптимального выбрано комбинированное переплетение «французское пике», которое принимается для производства полетных костюмов.

Сравнение значений параметров трикотажа, полученных в результате автоматизированного проектирования и опытным путем, показало высокую степень (от 0,6 до 9,4%) сходимости результатов. Следовательно, программный продукт, полученный в системе программирования Delphi, можно рекомендовать для проектирования параметров производных и комбинированных переплетений.

В пятой главе разработана технология изготовления огнестойкого трикотажа. Для установления влияния процентного соотношения ОШП 19 текс х2 и огнестойкой пряжи Арлана 19 текс х2 и плотности вязания по вертикали на основные физико-механические свойства был проведен двухфакторный эксперимент по матрице КОНО (КО2). Выработано 13 образцов трикотажа.

Вязание образцов осуществлялось на кругловязальной машине «Овернит Жаккард», имеющей следующую техническую характеристику: диаметр игольного цилиндра – 33 дюйма, класс - 18, число игл - 2х1872, число вязальных систем – 48, скорость вязания – 0,8 м/с.

Образцы подверглись физико-механическим испытаниям по стандартным методикам. Пылевыделение трикотажных полотен определено по методике ВНИИТП, показывающей динамику потери массы образцов в процессе истирания.

В табл. 3 приведены результаты эксперимента.

Таблица 3 – Матрица планирования и результаты эксперимента

№ варианта

Факторы

Параметры оптимизации

Код. значения

Физические значения

Х1

Х2

Х1

Х2

Поверхностная плотность, г/м²

Износостойкость, об.

Воздухопроницаемость, дм³/м²с

Разрывная

нагрузка, Н

Разрывное удлинение, %

Пылевыделение, г

Пластическая деформация, εпл,%

Содержание пряжи Арлана в полотне, %

Плотность по вертикали, Пв

по длине

по ширине

по длине

по ширине

по длине

по ширине

1

-

-

33

113

337

315

967

383

272

76

145

0,2911

4,2

4,1

2

+

-

100

113

321

588

994

541

327

75

130

0,1684

2,7

2,5

3

-

+

33

157

416

306

387

458

370

115

126

0,2411

2,6

3,9

4

+

+

100

157

363

491

417

545

408

120

110

0,1528

1,8

1,8

5*

0

0

67

135

340

529

858

582

341

97

140

0,1225

1,8

3,4

6

+

0

100

135

322

604

942

592

356

91

135

0,0923

1,1

1,2

7

-

0

33

135

352

369

841

485

309

96

150

0,1586

2,0

3,6

8

0

+

67

157

384

452

410

519

392

113

117

0,1671

2,4

3,5

9

0

-

67

113

329

504

979

501

313

76

143

0,1829

3,7

3,7

* - в опыте 5 (0-0) проводилось 5 опытов, в таблице 3 представлено среднее значение из 5 опытов.

Показано, что увеличение содержания пряжи Арлана в полотне существенно увеличивает износостойкость трикотажа и снижает выделение пыли в процессе эксплуатации изделий.

По результатам эксперимента получены математические модели:

поверхностная плотность трикотажа

; (1)

износостойкость

; (2)

воздухопроницаемость

; (3)

разрывная нагрузка по вертикали

; (4)

разрывная нагрузка по горизонтали

; (5)

разрывное удлинение по вертикали

; (6)

разрывное удлинение по горизонтали

; (7)

пылевыделение

; (8)

пластическая деформация по вертикали

; (9)

пластическая деформация по горизонтали

. (10)

По результатам эксперимента построены поверхности отклика и их сечения.

На основании проведенной многокритериальной оптимизации по методу теоретически показано, что оптимальным вариантом является «французское пике» из 100% пряжи Арлана с плотностью вязания по вертикали 124 ряда.

Из выработанных во время эксперимента переплетений оптимальным является трикотаж из 100% пряжи Арлана с плотностью по вертикали 135 рядов. Для этого варианта трикотажа определена огнестойкость по методике «Определения кислородного индекса». Параметры этого переплетения приведены в табл. 4.

Таблица 4 - Физико-механические показатели трикотажного полотна

№ п/п

Наименование показателя

Значение

1

Характеристика сырья,

линейная плотность, текс

огнестойкая пряжа Арлана

19 х 2

2

Оборудование, класс

кругловязальное, 18

3

Переплетение

французское пике

4

Поверхностная плотность, г/м²

322

5

Разрывная нагрузка, Н

по длине

по ширине

592

356

6

Разрывное удлинение, %

по длине

по ширине

91

135

7

Пластическая деформация, %

по длине

по ширине

1,1

1,2

8

Устойчивость к истиранию,

оборотов

604

9

Пылевыделение,

г на площади 100 см²

0,0923

10

Воздухопроницаемость, дм³/м²с

942

11

Гигроскопичность, %

11,5

12

Кислородный индекс, %

37,5

На данный трикотаж разработана нормативно-техническая документация и разработанная технология производства огнестойкого трикотажа для полетных костюмов космонавтов внедрена в производство на Инвест» и «Звезда».

Общие выводы по работе

1.  Разработана технология изготовления огнестойкого трикотажа для полетных костюмов космонавтов из 100% синтетической пряжи Арлана с высокими показателями огнестойких, гигиенических и физико-механических свойств в соответствии с исходными требованиями на полотно.

2.  Разработана классификация по составу арамидных групп и проведено исследование свойств термо-, огнестойких волокон и нитей, на основании которого признано целесообразным использование нитей Арлана.

3.  Теоретический анализ и экспериментальное исследование свойств одиннадцати кулирных производных и комбинированных переплетений показали, что наилучшими характеристиками обладает переплетение «французское пике», которое выбрано для производства полетных костюмов космонавтов.

4.  Разработан алгоритм и программный продукт в среде программирования Delphi для автоматизированного проектирования основных параметров комбинированных переплетений. Сравнение теоретических и экспериментальных параметров комбинированных переплетений показало хорошую сходимость результатов.

5.  По результатам факторного эксперимента по матрице КОНО (КО2) получены регрессионные модели, устанавливающие влияние процентного содержания огнестойкой пряжи Арлана и плотности вязания по вертикали на основные физико-механические и гигиенические свойства огнестойкого трикотажа.

6.  Проведено исследование пылевыделения огнестойкого трикотажа в зависимости от процентного содержания пряжи Арлана в полотне и плотности вязания по вертикали, которое показало, что использование пряжи Арлана значительно снижает пылевыделение.

7.  По результатам проектирования и экспериментальным данным определены оптимальные значения входных параметров огнестойкого трикотажа: 100% содержание пряжи Арлана и Пв 135 рядов.

8.  На созданный огнестойкий трикотаж разработана нормативно-техническая документация, и он принят к производству Предприятием – Заказчиком на основании «Решения по изготовлению полетных костюмов ПК-14 из полотна на основе термостойкой пряжи Арлана».

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1.  , Фокина технологии изготовления термо-, огнестойких трикотажных полотен для изделий спецназначения.// Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности», г. Москва, ГОУВПО «МГТУ им. », 2008 г., С.52.

2.  , Строганов свойств огнестойких трикотажных полотен для изделий спецназначения.// Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2008), г. Москва, ГОУВПО «МГТУ им. », 2008 г., С.52-53.

3.  , Строганов свойств огнестойких трикотажных полотен для полетного снаряжения. // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. № 3, 2009г., С. 10-12.

4.  , Фокина пряжи Арлана в производстве трикотажных полотен для изделий спецназначения.// Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2009), г. Москва, ГОУВПО «МГТУ им. », 2009 г., С.64.

5.  , Фокина трикотажного полотна для полетных костюмов космонавтов.//г. Киев, Вестник КНУТД. №3, 2010г., С.173-174.

6.  , Строганов технологии изготовления огнестойкого трикотажного полотна для полетных костюмов.// Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2010), г. Москва, ГОУВПО «МГТУ им. », 2010 г., С.37.

7.  , Строганов свойств огнестойкого трикотажного полотна. // «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности», Сборник материалов Международной научно-технической конференции. В 3-х книгах.// г. Москва, ГОУВПО «РосЗИТЛП», 2010г., книга 1, С. 111.

8.  , Строганов свойств производных и комбинированных трикотажных переплетений. // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. № 1, 2011г., С. 92-95.