Исследование зависимости прочности клеевых соединений от технологических параметров склеивания при изготовлении верхней одежды

При регулярной структуре микрорельефа поверхностей ткани разброс данных уменьшается. Ориентация макромолекулярных цепей полимерного клея в одном направлении также повышает прочность клеевого соединения и снижает разброс экспериментальных данных.

При расслаивании клеевых соединений часть усилий затрачивается не на преодоление адгезионного взаимодействия, а на деформацию текстильных материалов (распрямление, растяжение, выдергивание волокон, нитей и пряжи).

Рисунок 1.4 - Методы оценки адгезионной способности текстильных материалов

В общем виде сопротивление А расслаиванию следует рассматривать как результирующую двух слагаемых:

А = Аад + Адеф, (1.15)

где Аад -- работа расслаивания на преодоление адгезионных сил (химических, Ван-дер-Ваальса и др.),Н * м;

Адеф -- работа деформирования компонентов клеевого соединения (клея, основной ткани, прокладочного материала), Н-м; (Адеф = 55.„65% А).

Усилие расслаивания зависит от скорости приложения нагрузок: с увеличением скорости оно возрастает из-за увеличения Адеф. Величина Aдеф зависит от вида материалов, составляющих клеевое соединение: для трикотажных полотен, обладающих высокой растяжимостью, Адеф гораздо больше, чем для тканей.

Схема приложения нагрузки к концам испытываемой пробы показана на рисунке 1.5.

1,3-- текстильные материалы; 2 -- адгезив (Р -- усилие; l -- длина зоны адгезионного контакта)

Рисунок 1.5 - Схема равномерного расслаивания и получаемая адгезиограмма

Из-за растяжения текстильных материалов вдоль одной системы нитей при расслаивании происходит их сжатие вдоль другой системы нитей. Это приводит к уменьшению длины зоны адгезионного контакта, что также вносит систематическую погрешность в результаты испытаний.

Указанные особенности позволяют с известной долей осторожности соотносить получаемые значения усилий с истинной прочностью клеевых соединений, особенно состоящих из растяжимых материалов.

Деформация текстильных материалов при расслаивании клеевых соединений является иногда причиной несоответствия экспериментальных значений и теоретической прочности клеевых соединений, рассчитанных по энергии химических связей. Однако ввиду относительной простоты испытаний, несложной формы проб метод равномерного расслаивания получил преимущественное распространение в швейной промышленности.

Другим его достоинством является хорошая воспроизводимость результатов (коэффициент вариации обычно составляет 2 - 5 % для пяти параллельных испытаний).

Метод определения прочности склеивания растяжимых материалов. При расслаивании клеевого соединения по схеме, показанной на рисунке 1.5, усилие Р расходуется частично и на деформацию растяжения текстильных материалов. Растяжение материалов вдоль линии действия нагрузки, приложенной, как правило, к нитям основы, вызывает удлинение последних и приводит к сокращению поперечных размеров другой системы нитей -- уточных. Это проявляется, как было отмечено выше, в деформации зоны разрушения: ее искривлении и сокращении по длине. В этом случае происходит не одновременное, а последовательное разрушение мест клеевого контакта: вначале слабых, затем наиболее сильных, затем слабых и т.д. Такой характер разрушения обнаруживается по показаниям силоизмерителя и является причиной достаточно большого разброса результатов измерений, что снижает их статистическую достоверность.

Расслаивание клеевого соединения можно проводить жестким (недеформирующимся) элементом, перемещаемым между текстильными материалами (рисунок 1.6).

Перед испытанием несклеенные концы пробы зажимают неподвижно. Между ними размещают жесткий элемент таким образом, чтобы он располагался перпендикулярно длине клеевого соединения и направлению приложения силы Р. При своем перемещении силовой элемент одновременно разрушает все адгезионные связи по ширине расслаиваемой пробы.

1,2-- несклеенные концы пробы; 3 -- жесткий элемент {Р -- усилие; l -- длина

Рисунок 1.6 - Схема расслаивания клеевых соединений жестким элементом

Пробу расслаивают с одного конца. Клеевое соединение закрепляют расслоенными концами в зажиме. К противоположному концу пробы прикрепляют дополнительный груз массой Р1; усилие, создаваемое Р1 меньше разрывной нагрузки клеевого соединения. Разрывная нагрузка клеевого соединения равна усилию, необходимому для одновременного разрушения обоих материалов [4].

Между несклеенными концами текстильных материалов помещают жесткий элемент (например, из стали) шириной h. Ширину жесткого элемента выбирают из условия h > l, где l -- ширина зоны адгезионного контакта.

К жесткому элементу через тяги прикладывают силу Р, достаточную для перемещения элемента 3 между материалами и разрушения адгезионных связей между ними и клеем.

Силу Р периодически замеряют, например через каждый 1 см перемещения жесткого элемента вдоль клеевого соединения.

Сравнение двух методов испытания -- традиционного расслаивания и расслаивания жестким элементом -- проведено в таблице 1.

Таблица 1.1 - Результаты определения прочности клеевых соединений разными методами

Из таблицы 1.1 видно, что относительная ошибка при испытании жестким элементом уменьшается в 2 раза. Благодаря одновременности разрушения всех адгезионных связей жестким элементом фиксируется большее значение прочности, чем при традиционном расслаивании.

Предлагаемый способ отличают простота, наглядность, широкие возможности в получении точных результатов. Использование данного способа обеспечивает по сравнению с традиционным следующие преимущества:

- отсутствие ограничений по видам клеевых соединений;

- учет специфики свойств текстильных материалов.

Метод расслаивания клеевых соединений, состоящих из ткани и нетканого объемного материала. Перечисленные выше методы испытаний непригодны для испытания клеевых соединений, одним из компонентов которых является легко растяжимый объемный нетканый материал типа синтепона.

При изготовлении утепленной одежды объемные нетканые материалы типа синтепона склеивают с тканями. Эти материалы имеют разные значения разрывных нагрузок. Поэтому определение прочности таких клеевых соединений методом равномерного расслаивания невозможно, поскольку часто при испытаниях объемный нетканый материал разрушается, если его разрывная нагрузка ниже нагрузок, необходимых для расслаивания клеевых соединений.

Для большинства таких клеевых соединений, состоящих из ткани, клея и нетканого материала, характерно соотношение

Q1<P<Q2, (1.16)

где Q1, Q2 -- разрывные нагрузки при растяжении соответственно ОМ и объемного нетканого материала;

Р-- усилие расслаивания клеевого соединения.

Клеевые соединения, состоящие из ткани, клея и объемного нетканого утепляющего материала, могут быть испытаны методом сдвига менее прочного материала относительно более прочного. По значению усилия, необходимого для сдвига нетканого материала по поверхности ткани, судят о прочности склеивания материалов в клеевом соединении (рисунок 1.7).

1 -- ткань; 2 -- иглы для сдвига; 3 -- нетканый материал (Р -- усилие; / -- длина клеевого соединения)

Рисунок 1.7 - Схема определения прочности сцепления ткани и объемного нетканого материала в клеевом соединении

На рисунке 1.8 показана последовательность реализации метода с помощью специального приспособления, содержащего иглы для сдвига. Метод применим для клеевых соединений, одним из компонентов которых являются синтепоны, ватины разного способа получения толщиной более 5 см. Если толщина нетканого объемного материала невелика, например, как у флизелина, то данным методом разрушить клеевое соединение невозможно.

1 -- ткань; 2 -- нетканый материал; 3 -- иглы; 4 -- клеевые точки

Рисунок 1.8 - Положение склеенных между собой ткани и нетканого объемного материала перед испытаниями (а), после введения игл в объемный утепляющий материал (6) и во время испытаний (в)

При проведения испытаний основную ткань склеивают с нетканым материалом, например ватином, с помощью клея. Клей может быть предварительно нанесен на один из материалов в виде точек. Прочность к растяжению нетканого материала определяют одним из известных способов, например на разрывной машине. Закрепляют один из концов пробы в тисках разрывной машины.. В противоположных тисках закрепляют элемент, несущий ряд параллельных игл. Иглы вводят через нетканый материал внутрь клеевого соединения на всю толщину нетканого материала по всей ширине пробы. К элементу, несущему иглы, прикладывают нагрузку. Иглы, расположенные с такой же частотой, что и частота точек клея, начинают перемещаться вдоль клеевого соединения, "соскабливая" нетканый материал с поверхности основной ткани. Развиваемое усилие фиксируют по шкале разрывной машины. Значения усилия записывают через каждый 1 см перемещения игл, а затем находят среднее арифметическое. Прочность склеивания рассчитывают по формуле:

P=Pсд/n, (1.17)

где Р -- прочность склеивания;

Рсд -- сопротивление сдвигу менее прочного к растяжению слоя;

n -- количество клеевых точек по ширине пробы.

В ходе дипломной работы производится поиск существующих методик на исследование прочности клеевых соединение и производится анализ их.

Так в соответствии с ГОСТ 26589-94 Мастики кровельные и гидроизоляционные. Методы испытаний [5], устанавливаются методы испытаний следующих показателей:

1 внешнего вида;

2 условной прочности, условного напряжения и относительного удлинения;

3 прочности сцепления с основанием;

4 прочности сцепления промежуточных слоев;

5 прочности на сдвиг клеевого соединения;

6 паропроницаемости;

7 водостойкости;

8 водопоглощения;

9 водонепроницаемости;

10 условного времени вулканизации;

11 гибкости;

12 теплостойкости;

13 температуры размягчения.

Применение методов и периодичность проведения испытаний устанавливаются в технических нормативных правовых актах (далее - ТНПА) на мастики конкретного вида.

Отбор проб, приготовление объединенной пробы, подготовка к испытанию и изготовление образцов мастики или пленки для испытаний должны проводиться в соответствии с ТНПА на мастики конкретного вида (примеры изготовления пленок из мастик различных видов приведены в приложениях А - Г). Подготовку мастики и образцов к испытанию и проведение испытаний, если в ТНПА на мастики конкретного вида нет других указаний, проводят при температуре (293±5)K [(20 ± 5) °С]. Время выдержки мастики или образцов перед испытанием должно быть указано в ТНПА на мастики конкретного вида. Количество образцов для каждого вида испытаний должно быть указано в ТНПА на мастики конкретного вида, но не менее трех.

Внешний вид мастики проверяют визуальным подсчетом посторонних включений на поверхности мастики, нанесенной на подложку (картон, сталь, стекло), наносят на подложку окунанием в горячую мастику или наливом холодной мастики на подложку.

Мастика считается выдержавшей испытание, если при осмотре невооруженным глазом количество включений не превышает указанных в ТНПА на конкретный вид мастики.

Для испытаний используется разрывная машина, обеспечивающая: предел допускаемой погрешности измерения нагрузки (усилий) не должен превышать ± 1%, начиная с 0,2 от наибольшего предельного значения каждого диапазона шкалы измерения; измерение расстояния между захватами при растяжении образца устройством с ценой деления шкалы не более 1 мм или градуированным в процентах относительного удлинения; скорость перемещения подвижного захвата (500 ± 50) мм/мин. Подложка в виде призмы с основанием шириной (50±2)мм, длиной не менее 30 мм и высотой, обеспечивающей формоустойчивость в процессе испытания образца. Отрывной элемент из стали марки Ст3. Клей, обеспечивающий прочность сцепления мастичного покрытия с отрывным элементом большую, чем прочность сцепления мастичного покрытия с подложкой.

Испытание проводят на образцах-лопатках типа 1 или 2, вырубленных из пленки, изготовленной штанцевым ножом. Типы и размеры образцов-лопаток должны соответствовать указанным на рисунке 1.9 (а и б). Тип образца-лопатки выбирают в зависимости от вида мастики и указывают в ТНПА на мастику этого вида.

Рисунок 1.9 - Типы и размеры лопатки

Для обеспечения одинакового крепления образцов в захватах разрывной машины наносят установочные метки, расстояние между которыми (50±1) мм для образцов типа 1 и (35±1) мм для образцов типа 2. За длину рабочего участка принимают расстояние между установочными метками [5].

Толщину образца-лопатки измеряют в трех точках на рабочем участке. За результат измерения принимают наименьшее значение.

Образец помещают в захваты разрывной машины по установочным меткам, совместив продольные оси захватов и образца, устанавливают заданную скорость перемещения подвижного захвата, приводят в действие механизм и фиксируют силу и расстояние между метками в момент разрыва или максимального значения силы.

Затем производится обработка результатов испытания. Вычисляют условную прочность в МПа (кгс/см2):

, (1.18)

где Pp - разрывная сила, H (кгс);

b - ширина образца-лопатки, м (см);

h0 - толщина образца-лопатки, м (см)

И вычисляется условное напряжение образца-лопатки по формуле:

, (1.19)

где - максимальная сила при испытании на растяжение, Н (кгс)

Определение прочности сцепления с основанием осуществляют двумя методами А и Б. Для метода А необходимы следующие средства испытания и вспомогательные устройства: машина разрывная для испытаний; электрический сушильный, обеспечивающий поддержание температуры до 473 К (200°С); весы лабораторные с допускаемой погрешностью не более 0,05 г; приспособления для закрепления образцов в соответствии с рисунком 1.10 (а); подложка в виде призмы с основанием шириной (50±2) мм, длиной не менее 30 мм и высотой, обеспечивающей формоустойчивость в процессе испытания образца; отрывной элемент из стали марки Ст3 по ГОСТ 380 в соответствии с рисунком 1.10 (б); нож; уровень; клей, обеспечивающий прочность сцепления мастичного покрытия с отрывным элементом большую, чем прочность сцепления мастичного покрытия с подложкой.

Подготовка к проведению испытания. Заготавливается образец из подложки, мастичного покрытия и приклеенных к нему отрывных элементов. Подготавливается мастика к испытанию, в соответствии с ТНПА на мастику конкретного вида. Подложку с мастикой устанавливают горизонтально по уровню и на нее наклеивают отрывные элементы в соответствии с рисунком 1.10, б. Мастичное покрытие прорезают по окружности отрывного элемента при помощи ножа на всю толщину до подложки. Проведения испытания начинается с установки образца в приспособление (рисунок 1.10, а). В момент разрыва фиксируют максимальное усилие и характер разрушения образца.

Рисунок 1.10 - Приспособления для закрепления образцов (а); отрывной элемент из стали(б)

Высчитывают прочность сцепления с основанием Rсц в МПа (кгс/см2) по формуле:

, (1.20)

где Р - максимальное усилие разрыва, Н (кгс);

S - площадь склеивания до 0,01 МПа (0,1 кгс/см2).

В расчет принимают результаты испытаний образцов, разрушение которых произошло по материалу покрытия или по месту контакта покрытия и подложки. Метод Б. Средства испытания и вспомогательные устройства тоже самое что и в методе А. Порядок подготовки к проведению испытания: образец для испытания состоит из двух плиток с нанесенным на них мастичным слоем, склеенных крестообразно. Площадь склеивания [(30х30) ± 2] мм. Дальше по аналоги с методом А [5]. ГОСТ 15140-78 Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии [6]. Стандарт распространяется на лакокрасочные материалы и устанавливает методы определения адгезии лакокрасочных покрытий к металлическим поверхностям, среди которых - метод отслаивания. Сущность метода заключается в определении адгезии отслаиванием гибкой пластинки от армированного стеклотканью покрытия и измерении необходимого для этого усилия. Испытания проводятся на машине разрывной с максимальной нагрузкой не менее 30 Н (3 кгс), с погрешностью измерения нагрузки не более 1 %, снабженной приспособлением для сохранения постоянного угла расслаивания, прикрепляется к нижнему зажиму разрывной машины (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 - Приспособление для сохранения постоянного угла расслаивания

Фольгу натягивают на стеклянную пластинку, выравнивают и обезжиривают ватным тампоном, смоченным в ацетоне.

Алюминиевую фольгу применяют для лакокрасочных материалов, отверждаемых при температуре не выше 300 С, а медную фольгу для материалов, отверждаемых при температуре не выше 180 С.

Лакокрасочный материал наносят тонким слоем на фольгу любым методом и сушат. После этого наносят второй слой, на который сразу накладывают стеклоткань, обезжиренную ацетоном и высушенную, плотно прижимают ее к фольге. Затем лакокрасочный материал кистью наносят на стеклоткань, полностью смачивая ее, удаляя все неровности и пузыри. Образец высушивают.

Толщина покрытия со стеклотканью после сушки должна быть не ниже 70 мкм. Высушенный образец снимают со стеклянной пластины и разрезают вдоль на 8 - 10 полосок размером 1060 мм каждая. Крайние полоски отбрасывают, а на остальных вручную отслаивают фольгу от покрытия со стеклотканью на длину, несколько превышающую половину общей длины полоски (примерно 35 мм), и отгибают фольгу на 180 С.

Допускается определять адгезию покрытия без армирования стеклотканью при большой толщине и низкой эластичности покрытий.

Перед определением адгезии образцы холодной сушки выдерживают при (202) С и относительной влажности воздуха (655) % в течение 48 ч, а образцы горячей сушки не менее 3 ч.

Перед определением адгезии замеряют толщину покрытия не менее чем на трех участках поверхности испытуемого образца, при этом расхождение в толщине покрытия не должно превышать 10 %.

Испытание проводят при температуре (202) С и относительной влажности воздуха (655) %. Полоску закрепляют на разрывной машине так, чтобы отогнутый край фольги был зажат в неподвижном зажиме, а покрытие со стеклотканью в подвижном зажиме. Образец расслаивают при скорости движения подвижного зажима 0,0010 - 0,0012 м/с (65 - 70 мм/мин) и угле расслаивания 180 С. Адгезию в Н/м (гс/см) вычисляют как среднее арифметическое из восьми, десяти определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 10 % [6]. ГОСТ 6768-75 Резина и прорезиненная ткань. Метод определения прочности связи между слоями при расслоении [7]. Hаспространяется на резину, прорезиненную ткань и устанавливает метод определения прочности связи между слоями резина--резина, резина--ткань, резина-- прорезиненная ткань и прорезиненная ткань -- прорезиненная ткань при расслоении. Сущность метода заключается в расслоении образца и определении силы, необходимой для отделения двух испытуемых слоев друг от друга. Машина для испытания должна обеспечивать: надежное закрепление образцов в зажимах без перекоса; перемещение подвижного зажима со скоростью (100±10) мм/мин; погрешность измерения силы при прямом ходе (нагружении) ±1% от измеряемой силы, начиная с 0,2 от наибольшего предельного значения каждого диапазона измерения. Образцы для испытания имеют форму прямоугольного параллелепипеда шириной (25±1,0) мм, толщину не более 12 мм и длину, обеспечивающую расслоение на участке не менее 100 мм. Для образцов из готовых изделий допускается длина, обеспечивающая расслоение на участке не менее 60 мм. Образцы заготавливают не ранее чем через 16 часов после вулканизации. Время между вулканизацией и испытанием не должно превышать 30 суток. Заготовленные образцы выдерживаются не менее 24 часов при (23±2) оС и относительной влажности 50-70 %. Для готовых изделий время выдержки не должно превышать 2 часов. В зажимах машины закрепляют слои образца, между которыми определяют прочность связи. Включают машину и проводят расслоение на участке не менее 100 мм, а для образцов из готовых изделий на участке не менее 60 мм [7]. Прочность связи между слоями при расстоянии (ур) в ньютонах на сантиметр вычисляют по формуле:

, (1.21)

где Рср-- средняя сила расслоения, Н;

b - ширина образца, см.

ГОСТ 7933-89 Картон для потребительской тары. Общие технические условия [8]. Стандарт распространяется на картон для изготовления потребительской тары и устанавливает требования к картону, предназначенному для нужд народного хозяйства и экспорта. В стандарте прописан ряд испытаний для картона, в т.ч. определение энергии связей между слоями. Сущность метода заключается в измерении работы, необходимой для расслаивания образца площадью 6,45 см2 при динамическом воздействии на образец. В качестве средства испытания используется прибор для измерения работы по расслаиванию образца "Bond Scott Testers" (рисунок 1.12) с диапазонами: от 0 до 0,339 Дж (от 0 до 0,25 фут-фунт-сила) и от 0,135 до 0,678 Дж (от 0,1 до 0,5 фут-фунт-сила), включающий маятник с ударным устройством, позволяющим измерять работу расслаивания, и устройство для подготовки образцов к испытаниям. Двухсторонняя липкая лента "Scotch Brand 400" шириной не менее 25,4 мм или другая липкая лента, обеспечивающая аналогичные условия испытания.

Рисунок 1.12 - Прибор для измерения работы по расслаиванию "Bond Scott Testers"

Из листов пробы произвольно отбирают лист для испытания и из него вырезают в машинном и поперечном направлениях по одной полоске размером (155,0 +- 5,0) х (25,4 +- 0,5) мм.

Рулон двухсторонней липкой ленты укрепляют в устройстве для ее подачи. Помещают пять опорных пластин и углубления на штыри устройства для подготовки образцов.

Отматывают кусок липкой ленты длиной не менее 60 см, освобождают вручную от защитного бумажного слоя, помещают на опорные пластины направляющими штырями так, чтобы лента по ширине не выходила за края пластины. Образец картона кладут на липкую ленту так, чтобы края ленты и картона совместились по ширине, а по длине он должен выступать с обеих сторон за края пластин. Оставшимся свободным концом ленты покрывают верхнюю сторону образца. Поверх образца, покрытого липкой лентой, на установочные штифты помещают опору с пятью алюминиевыми уголками. Нажатием рычага в течение 1 мин создают давление, необходимое для склеивания многослойной полоски: опорная пластина - липкая лента - картон - липкая лента - алюминиевый уголок. Путем возврата рычага сбрасывают давление, освобождают и удаляют опору, оставив алюминиевые уголки прилипшими к многослойному образцу.

Многослойную полоску с пятью уголками разрезают на пять образцов.

Каждый из пяти подготовленных образцов поочередно помещают на испытательный стол и закрепляют гайкой. Отклоняют маятник на 90° вправо до защелки и указательную стрелку отсчетного устройства до соприкосновения со штырем на маятнике. Проводят испытания, приводя маятник в движение нажатием на защелку. При возвратном движении маятника останавливают его рукой во избежание вторичного соприкосновения с уголком. Отсчет результата измерения работы расслаивания производят с точностью до 0,001 фут-фунт-силы по шкале. Место разрыва образца исследуют визуально, при этом картон должен расслаиваться. При обнаружении отслаивания от пластины или алюминиевого уголка аннулируют полученные результаты и увеличивают силу прижима при изготовлении многослойных образцов путем установления прокладок, создающих большее давление. Подбор давления производится от получения пяти значений работы расслаивания в каждом направлении [8].

Подсчитывают значение работы, затраченной на расслаивание образца, как среднее арифметическое результатов десяти определений (пять в машинном и пять в поперечном направлениях).

Вычисляют энергию связей (Р) и Дж/м2 по формуле:

, (1.22)

где Р" - среднее арифметическое результатов десяти определений, фут-фунт-сила;

13560 - коэффициент перевода несистемных единиц и единицы СИ;

6,45 - площадь образца, см2.

ГОСТ 28966.1-91 Клеи полимерные. Метод определения прочности при расслаивании [9]. Стандарт распространяется на полимерные клеи и устанавливает метод определения прочности при расслаивании клеевых соединений гибких пленочных материалов. Метод заключается в определении нагрузки, разрушающей клеевое соединение, путем измерения усилий, вызывающих расслаивание склеенных между собой в любой комбинации пленочных материалов и приведенных к линейным размерам клеевого шва.

При расслаивании усилие действует перпендикулярно к продольной оси плоскости клеевого шва.

Образец, предназначенный для испытания, представляет собой две склеенные между собой мягкие подложки: гибкие пленочные материалы с модулем упругости от 10-2 до 102 МПа и толщиной от 10 до 1000 мкм.

Общий вид и размеры подложек и образца для испытания представлены на рисунке 1.13.

а - подложка; б - образец для испытания; 1 - площадь склеивания; 2 - захват

Рисунок 1.13 - Общий вид и размеры подложки и образца для испытания

Таблица 1.2 - Виды разрушения образцов