Textilmechanikai technológia

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Polimertechnika Tanszék

Textilmechanikai technológia SZÁLAK ÁLTALÁNOS TULAJDONSÁGAI

2/17/2016

Szálak alkalmazásának, előállításának története Természetes szálak: i.e. 7000: a juh már háziállat volt Ázsiában i.e. 4000: fejlett lentermesztés Egyiptomban i.e. 2000: gyapot termesztés és feldolgozás Indiában Mesterséges szálak: 1860-99: cellulóz-nitrát szál, viszkózszál, acetátszál, üvegszál 1900-29: PVC 1930-39: akril polimerek, PA (nylon), PU, PET, erősítő üvegszál 1940-49: PE, PTFE (teflon), szilikon polimerek, SBR, ABS); 1950-59: iPP, PAC, PC, PAN, POM, LDPE, HDPE; polifenilénoxid; 1960-69: aromás poliamid (aramid, Kevlar), PAN-alapú szénszálak; 1970-79: polifenilénszulfid, poliéterszulfon, PEEK, PAI, PBT, folyadékkristályos (önerősítő) polimer (LCP vagy SRF); 1980-89: PEI, poliariléter, aromás poliéterkarbonát, HPPE, 1990-99: szuperszilárd (PBO), hő- és lángálló (FR), intelligens, természetes szálakat imitáló szálak 2000a fenti fejlesztési tendenciák 2

Szálak csoportosítása eredet szerint TERMÉSZETES SZÁLAK (a természetben szálformában megtalálhatóak): Növényi eredetű: Háncsrostok: len, kender, juta Magszálak: pamut Állati eredetű: Mirigyváladékok: hernyóselyem, pókselyem Szőrök: gyapjú, stb. Ásványi eredetű: Azbeszt MESTERSÉGES SZÁLAK (vegyi szálak; a szálforma mesterségesen van létrehozva): Természetes polimer alapú (a természetben megtalálható polimerekből): Cellulóz alapú: viszkóz (kord) Fehérje alapú Kaucsuk alapú Mesterséges polimer alapú (a polimer is mesterségesen van létrehozva): HPPE, poliészter, poliamid, aramidok (Kevlár), stb. Szervetlen: üvegszál, szénszál, kerámiaszál, bazaltszál, fémszálak 2/17/2016

3

A szálas erősítő szerkezetek csoportosítása

2016.02.17.

4

Mesterséges szálak gyártása

Nem alkalmazható az ömledékes szálképzés, ha • Az anyag bomlás nélkül nem olvasztható meg (pl. cellulóz, fehérje, aramid, PAN) • A kívánt száltulajdonság (pl. kis szálátmérő, nagy szilárdság) szempontjából az oldatos eljárás előnyösebb (pl. PVC,PU) • Az ömledék viszkozitása túl nagy, hőmérséklet emelésre már bomlana, a szükséges kis viszkozitás oldatos eljárással érhető el (pl. PVC) • Kívánatos, de túl nagy móltömeg esetén az anyag az erős másodlagos kötések miatt nem jól ömleszthető meg, ill. lehűtve a kívánt rendezettségű finomszerkezet nem tud kialakulni (pl. UHMWPE, HPPE=HOPE) 2016.02.17.

5

Népesség és a szálfelhasználás

6

A világ száltermelése

7

Szálak alapjellemzői és típusai   

 

Lineáris sűrűség: q=m(l )/l, 1 tex=1 g/km =1 mg/m Karcsúsági index: =l/d Textilszál definíciója: 1D, =1000…5000, textiltechnológiákkal feldolgozható Szálak szilárdsági jellemzői: fajlagos szilárdság Q [N/tex], szakítóhossz R [km] Textilszálak típusai: Mesterséges szálak típusai:  Filament: mono- és multifilament  Műszál = vágott-, vagy rövidszál  Roving

2/17/2016

8

Szálak és lineáris textíliák lineáris sűrűsége

2/17/2016

9

Szálforma geometriai jellemzői 1. 

Szálak keresztmetszete  Konvex alakúak  Konkáv alakúak  Üregesek



Szálak sűrűségjellemzői  Térfogati és lineáris sűrűség



Szálhossz jellemzői

 Szálhossz statisztikai jellemzői (átlag, szórás, szakálldiagram, szakállhossz, rövid- és hosszúszál tartalom)



Szálalak típusok

 Egyenes, hullámos, hurkos, göngyölődött – hullámos szálalakok, hullámosság



Szálfelületi jellemzők

 Sima, érdes, barázdált, hornyolt, gödröcskés, tagolt felület

2/17/2016

10

Szálforma geometriai jellemzői 2. 

Szálak keresztmetszete

a) b) c) d) e) f) g) h)

Pamut Lenrost Viszkóz Gyapjú Acetát Poliamid Hernyóselyem nyúlszőr

Mesterséges szálak:  Homogén anyagú szálak: Konvex, konkáv, üreges  Társított szálak: bilaterális (a), mag/köpeny (b), szál/mátrix (c) 2/17/2016

11

Szálforma geometriai jellemzői 3. 

Szálak sűrűségjellemzői:

Szálfinomság

Lin.sűrűség

Ultra durva: > 10 dtex Durva: 5…10 dtex Normál, középfinom 2…5 dtex Finom: 1…2 dtex Mikroszálak: 0,1…1 dtex Ultra finom: < 0,1 dtex Nanoszálak < 0,01 dtex

2/17/2016

Átmérő > 100 m 22…100 m 15…22 m 10…15 m 3…10 m 0,5…3 m < 500 nm

Szálfajta Selyem Gyapjú Len Kender Pamut Rami Kazein Acetát Viszkóz Rézoxid

Sűrűség [g/cm³] 1,25 1,30 1,49 1,50 1,55 1,55 1,30 1,31 1,52 1,52

12

Mechanikai tulajdonságok 1. 

Szálak szakítószilárdsága Szál preparálása szakítóvizsgálathoz a.)

b.) Papírkeret Szál

lo

L

Ragasztó O

1-len, 2-rami, 3-finomszálú pamut, 4-középszálú pamut, 5-selyem, 6-gyapjú

2/17/2016

1-üveg, 2-dezacetilezett acetát, 3-nagyszil. viszkóz, 4-PA6.6, 5-rézoxid, 6-viszkóz, 7-PVDC kopolimer (Saran), 8-acetát, 9-zein, 10-kazein

13

o

Mechanikai tulajdonságok 2. Textilszálak számított szakítószilárdsági jellemzői Lineáris sűrűségre vetített fajlagos erő (Q=F/q=σ/ρ) Fajlagos szakítóerő (Qs)

Húzófeszültség () Húzó- (B) és szakítószilárdság (S) Kezdeti húzómerevség (K) Kezdeti rugalmassági modulus (E) Egytengelyű húzásra a Hooke törvény alakja (kis nyúlásoknál) Szakítóhossz (R=Fs/(q∙g)=σs/(ρ∙g)=Qs/g)

2/17/2016

Q

F  Nm  q  mg 

QS 



B 

FS q

FN  A  m 2 

F FB S  S A A

K=AE [N]

E

K N    A m2 

 = E

103 QS R [km] 9,81

14

Műszaki szálak szakítóhossza Gyenge PE fólia Szuperszilárd HPPE: R=400 km

Zylon (PBO szál: R=450 km, E=270 GPa, B=5,8 GPa Tb=650oC, LOI=68)

Acél (R=25-35 km; E=210 GPa, B=1,9 GPa, To=1425oC)

2/17/2016

15

Mechanikai tulajdonságok 3. 

Szálparadoxonok (1) Szilárdtest

paradoxona: Az anyagok B szakítószilárdsága szálformában nagyobb, mint a szokásos, terjedelmesebb, tömbalakban, de kisebb az elméletileg elérhetőnél:

 B,tömb   B,szál   B,elméleti Szakítószilárdság, B[MPa]

Anyag Tömbforma

Szálforma

Elméleti max.

600 1400

800 4100

3800 11200

30 30 80 -

1000 2000-3500 850 3000

25000 25000 25000 25000

Szén Grafit

(100) (100)

3000 20000

35000 35000

Üveg Kerámia (Al2O3)

(100) 200

4000 1600

11000 26000

Alumínium (Al) Vas, acél (Fe) Polietilén (HDPE) Polietilén (HPPE) Poliamid (PA) Aramid (Kevlar)

2/17/2016

16

FB (d1 )  FB (d 2 )

 B ( d1 )   B ( d 2 )

Mechanikai tulajdonságok 4. 

Szálparadoxonok

(2) Szálforma paradoxona: Miközben az FB szakítóerő nő, a szálak szakítószilárdsága csökken a d szálátmérő növekedésével, azaz ha d1
a.) _ FB

b.)

_ FB

d 0 B

_ FB(

FB (d1 )  FB (d 2 )

 B ( d1 )   B ( d 2 )

d 0

2/17/2016

17

Mechanikai tulajdonságok 5. 

a.) Szálparadoxonok _

b.)

FB paradoxona: (3) Szálhossz A szálak FB szakítóereje d=áll esetén csökken az lo terhelt, azaz szabad d befogási0 hossz növekedésével, vagyis: B befogási hosszak, úgy: ha lo1
FB (l o1 )  FB (l o2 )

_ FB(0)

_ FB

_ FB() 0

lo

d

0

2/17/2016

18