Textilní zkušebnictví část IV a

Textilní zkušebnictví část IV a Jiří Militký Snímky s červenou hlavičkou jsou pouze pro doplnění (nezkouší se)

Testování vláken geometrie

Vlastnosti vláken Geometrické vlastnosti: délka, jemnost a tvar příčného řezu, povrchová struktura… Mechanické vlastnosti : napětí při přetrhu (pevnost), deformace při přetrhu (tažnost), počáteční modul, tuhost, houževnatost, ohybová tuhost, křehkost, únava.. Tepelné a termo-mechanické vlastnosti : bod tání, přechodové teploty, tepelná vodivost, ztrátový úhel, dynamický modul, ztrátový modul,… Elektrické vlastnosti : statický náboj, povrchová rezistivita, objemová rezistivita, dielektrická konstanta… Sorpční charakteristiky: navlhavost, příčné bobtnání, podélné bobtnání, objemové bobtnání, teplo sorpce… Oděr a opotřebení Chemická odolnost, odolnost proti povětrnostním vlivům, odolnost proti hoření…

Přímé stanovení délky vláken I

fj

nj/n

lj

lj

Měření na třídícím kuličkovém přístroji Načítání počtu vláken v určité třídě je řešeno stisknutím klávesy 3 po vytažení vlákna ze svěru v čelisti 1. Šířka klávesy je šířka třídy Δl. Jsou načítány počty vláken ve třídách Měření na skleněné desce Používá se zejména pro stanovení délky vláken vytažených z přízí. Skleněná deska s adhesivem, na ni se natáhnou vlákna a jednotlivě se měří.

Výsledky měření:

L [mm]

nj.........počet vláken v j-té třídě (délky  lj)

Přímé stanovení délky vláken II Optoelektrické měření vláken napřímených proudem vzduchu. Pro získání relevantních f (l) Chemická vlákna  500 Vlna 2 400

AFIS - Uster

zdroj

Přibližná délka vláken KUHN mc  ls n  S  mc l l   s ml  l n  S  ml

příjmač

l = 8-12 mm urovnaný chomáček

mc ml

Nepřímé stanovení délky vláken I Stanovení délky vláken z hmotností

Rozteč mezi hřebeny: ba

2  4 mm

vl

5 10 mm

lýková

25 mm

Vzdálenost mezi zuby 0,5; 1; 1,3 mm

Dvě hřebenová pole, v jednom je chomáč vláken uložen v původním neroztříděném stavu, do druhého se rovnají na společnou základnu. Vlákna se vytahují z hřebenů podle délek a jsou vážena na přesných vahách. Prázdné hřebeny jsou shozeny do dolní polohy. Hřebeny jsou od sebe vzdáleny o Δ.

Nepřímé stanovení délky vláken II Stanovení délky vláken z třásně Uplatnění tam, kde je zapotřebí rychle a přesně změřit charakteristiky vlákenné suroviny. Pro rychlost a přesnost měření jsou tyto metody zařazeny do linek HVI ( HVI = High Volumen Instruments) Základní metodou nepřímého měření délky vláken v třásni je FIBROGRAPH. . Vytvoření třásně na zařízení FIBROSAMPLER Měření třásně ve vlastním FIBROGRAFU vytvoření grafického záznamu FIBROGRAMU

(FIBROLINER) perforovaný buben stírací kartáč

Nepřímé stanovení délky vláken III

původní

lj

0%

lj

100 % l

B Mechanický princip (Uster Staple Diagram) Tloušťka třásně se měří při konst. tlaku po 30 s vibraci.

C. Optoelektrický princip FIBROGRAM - Wira Celková povrchová plocha úseků třásně je měřena pomocí průchodu světla fotoelektricky. světelná clona

odřezané

xFj

xj

Proměřené třásně (fibrogram) A Kapacitní princip (ALMETR, TEXTLAB, AL 100(vlna), AL 101 (bavlna)). Třáseň se pohybuje mezi elektrodami kondenzátoru (1.8 mm šířka). Jeho kapacita se měří lineárně s hmotou uvnitř. Napětí je úměrné hustotě vláken delších než lj.

lj

svazek fotobuňky vláken

Třáseň A.....sevření a vyčesání mc

Rovnoměrné rozdělení vláken po délce Lo . nj, lj................f(l) Pravděpodobnost, že vlákno délky lj bude sevřeno v místě A

L0 n j  n f lj   lj

fj(lj)

P*j  c l j

1 c l0

P  * j

xj nj

Počet vláken délky lj v místě A:

nj n lj

Počet vláken delších nebo rovných lj v místě A :

x j  c n j lj H j  c n j l j  c n  l j f  l j   l j k

i j

i

Průměrné vlákno

Pro stejná :

Pj wj 

lj

vj

v

v

 vj ,

j

j

Podíl zastoupení vláken v j-té třídě Objem VPj = Sj lj Hmotnost mPj = VPj * j Tj 

Jemnost

m Pj

 Sj *  j

lj

Celkem v j-té třídě: Vj = nj V Pj mj = nj mPj Převody: wj  

mj

m

Vj  j

V

j

j

 j



n j VPj  j

n

VPj  j

j

vj j

v

j

j

Hmotnostní: w j 



Četnostní:

fj 

Objemový:

mj

mc nj

vj 

n Vj





mj

m

j

Vj



V Vj Dále uvažujeme stejné  n j VPj f j VPj n f j lj Sj f j l j Tj wj     n V n f V f l S  j Pj  j Pj  j j j  f j l j Tj mj fj 

nj

n

 j

mc

m Pj

m m Pj

 j

wj m Pj

 wj    m c  m Pj 

wj

 Tj l j

wj

T

j

lj

1

Zpracování dat wj 

Pro stejné jemnosti Tj = T: Střední četnostní délka: La   l j f j  

wj  wj



lj

Lw   l j w j  

Lw  La 1  V  2 l

f

j

lj

j

lj

wj

l

lj

f S l  H f S Barbe: f  B f j

j

lj

f  

j

La

l j2

 La  L w

l2   f j l j2    f j l j  Vl 

fj 

j

Střední hmotnostní délka: f j l j2

f

wj

Hauter:

1 wj



f j lj

l La

2

j

j

j

j

S j l j2

j

Sj lj

Pro vlnu



B  H 1  VH2



l

F  l    f  t  dt

P l   1  F l  

lmax

0

Délka vláken 

 f  t  dt l

Variační koeficient délky vláken je pro přírodní vlákna poměrně vysoký . Pro bavlnu je to 40% a vlnu je to kolem 50%. Je tedy důležité sledovat rozdělení délek vláken a nestačí pouze výpočet průměru a rozptylu. bavlna viskóza

Délka vlákna je definována jako vzdálenost konců napřímeného vlákna bez obloučků a bez napětí

l

P(l)

diagram

l0,025 l0,5

l

2,5% vláken jsou delší are longer je delších

0,025

0,5

Staplová křivka

P(l)

Variační koeficient délek

Délka vláken – hustota CV   (*100) L pravděpodobnosti Modální délka l

a



relativní četnost [%]

lj  df  l   Rozdělení délek vláken lze 0   standardně charakterizovat tzv.  dl  l  l četnostní hustotou pravděpodobnosti f(l), kdy se vychází z počtu vláken nj vyskytujících se v j-tém intervalu lM j délka vláken [mm] lj  [lj, lj +]. Alternativně lze n j  n  f  l  dl  n *  * f  l j  rozdělení délek vláken  lj charakterizovat tzv. hmotnostní Průměrná délka La  l f  l  dl hustotou pravděpodobnosti g(l), 0 Rozptyl délek kdy se vychází z hmotnosti wj  vláken vyskytujících se v j- tém 2 2  l  l - Lp f  l  dl intervalu [lj, lj +]. M



 0



Délka vláken – histogram ˆf j ,l jd    j k ....1 ˆj n ˆf  j n

Charakterizace délek vláken 

Horní kvartilová délka (UQL) 0.25  je definována jako délka, kterou převyšuje 25% vláken

Mediánová délka (ME)

je definována jako délka, kterou převyšuje 50% vláken

 f  l  dl  P  UQL 

UQL 

0.5 

 f l  dl  P  ME 

ME

   Délka „Upper Half Mean“ (UHM) UHM  2   l f  l  dl  Průměrná délka 50% nejdelších vláken.  ME  Horní kvartilová průměrná délka   (UQML) 1 Průměrná délka 25% nejdelších vláken UQML    l f  l  dl  P  UQL  UQL  Procentní délka rozpětí - Span  T % 1 (SL(T)) Určuje procento vláken, které  P  l  dl dosahují alespoň předepsanou vzdálenost  100 La SL(T) T% (obyčejně 2.5% and 50% ).

Charakterizace variability délek vláken Index stejnoměrnosti (UI %)

La UI  100 UHM

UI je poměr průměrné délky a délky UHM

Podíl stejnoměrnosti (UR %)

UR je podíl SL(50%) a SL(2.5% ) Je menší o faktor přibližně 1.8 než UI

Obsah krátkých vláken (SFC %) Je to procento vláken kratších než jedna polovina palce (12.7 mm). ljd

Disperze

D

lmax

E 0 0,25(0J)

UR 

0,75(0J) J

SL  2.5 

100

12.7

SCF  100  f  t  dt  100 1  P 12.7   0

E e 100 % E

e

SL  50

E........ efektivní délka horní (kvartil) e......... efektivní délka dolní (kvartil) D........ interkvartilová odchylka

Charakterizace délek vláken pro normální rozdělení I Chyba aproximace kolem 1%

Z experimentálních dat se spočítá četnostní průměr La a rozptyl l2 resp. variační koeficient CV. Jako f(l) se pak uvažuje hustota pravděpodobnosti normálního rozdělení. Pro různé (kvantilové) délky a index stejnoměrnosti pak platí Horní kvartilová délka (UQL) Mediánová délka (ME) Me  La Index stejnoměrnosti (UI %)

Délka „Upper Half Mean“ (UHM)

UQL  0.6745 l + La

 La 1  0.6745 CV 

La UI  100 0.6745 l + La

UHM  La 1  0.8 CV 

Horní kvartilová průměrná délka (UQML) UHM  La 1  1.27 CV 

Charakterizace délek vláken pro normální rozdělení II Chyba aproximace kolem 1%

 1  12.7 / La  SCF %  50  100 erf   Obsah krátkých vláken (SFC %)   CV 2  

Procentní délky rozpětí - Span (SL(T)) nelze vyjádřit v analytickém tvaru. Na základě numerického řešení byly sestaveny diagramy jejich závislosti na průměrné délce La = ML a rozptylu 2 Podíl stejnoměrnosti (UR %)

Příklad

Chyba aproximace kolem 1%

Brazilské bavlny

četnostní hustota pravděpodobnosti La  20.7 mm CV  49.2 %

hmotnostní hustota pravděpodobnosti Lw  25.7 mm CVw  34 %

Délka vláken – distribuční funkce F(l) [%] x

Fx

F  x    f  l  dl 0

lM x

Modální délka  d2 F l   0   2  dl  l  lM

l [mm]

Pro normální rozdělení je f l  

   l  La  exp  2  2  2 l 

1 l

2

   

2     l  La    l  L  1 1 a  F x  exp  erf   2     l 2   l 2   2l  l 2 x

Délka vláken – diagram P l   1  F l  

lmax

 f  t  dt

normální rozdělení

l

experimentální

Pro normální rozdělení je P  x  1

  l  La   erf    2  l 2 

1 l

Hmotnostní diagram

Délka vláken  P  l  dl – fibrogram I l  0  T 0  T     T     1 T l   La



T(l)

T   y  0  l     T   



lmax

l f  l  dl



l

experimentální

P  

normální rozdělení

y  T    T   l   

T(0)

T(0).....podíl vláken delších než 

T()

l......průměrná délka vláken delších než 



l 



l

Hmotnostní fibrogram

Pro normální rozdělení je

2     l  L l  L l  L l  L   a  a  a  a 1 T  l   l   erf   exp    2   2   Lp  2l 2l 2  2  l  l   

   

Délka vláken fibrogram II Na úrovni 50 % se odečítá délka vláken přináležející 50 % -nímu dělicímu bodu. Tyto délky se odečítají také na úrovních 25 % a na 2,5 %. Z délek SL(50) a SL (2,5) se vypočte stejnoměrnost staplu ( UR): SL 50

  UR  SL  2,5 

Dobrá stejnoměrnost staplu je více než 0,45 (45%) - Seřízení pracovních orgánů přádelnické technologie -

Délka vláken – staplová křivka I Staplová křivka je inverzní funkce k diagramu

Kladený stapl

l

f(l)

ˆf  n j j n

lj

k

j

1

P(l) n

j

k 1 k ˆ ˆx j   fi    n i , n i  j1 j1 ljd Křivka:

l j  l jd La

 ˆx j ,l jd  j k ....1

k

ˆx j

1

ˆx

l

Délka vláken – staplová křivka II Hmotnostní stapl Křivka:  ˆx jw ,l jd  j k ....1

Hmotnostní hustota pravděpodobnosti

ljd

g(l)

ˆg j 

Lw mj........hmotnost pro délky lj+

mj m

j

l

ˆx

G(l) m jw 1 ˆ i    mi   n i li ˆx jw   g Vztah mezi f (l) a g (l): m i  j1 j1 n j resp. m  m l  S mj j j j j j a také f j  Platí g j  m n l* f  l  lj 1 n j lj g l   a nakonec g   f j j Pak E l   nl l jk

k





Rozbor staplové L ..střední délka (mediánová) křivky L .... průměrná délka s

a

ljd

La 

ls

S 0Z

S 0

0,5*(0Z)

Z

ljd

Krátká vlákna

lmax

l1

JZ K * 100 0Z

lmax/2 1/2l1 0 ( 0,25*(0P))

PJZ

% 

Pro spřadatelnost je kritická délka kolem 10 mm.

Kritická délka kritická délka Lc je délka vlákna v matrici, pro kterou je síla potřebná Vlákna s délkou vyšší než Lc k jejich udržení v matrici Fs právě mají tendenci prasknout při deformaci příze a využití jejich rovna jejich pevnosti Fv pevnosti je tedy úplné. Vlákna s Fv  Av  f Fs  Ai  délkou menší než Lc mají tendenci k vytažení z matrice Ai je povrchová plocha mezi bez prasknutí. vláknem a matricí Av je plocha příčného řezu vlákna  je smykové napětí mezi vláknem a matricí  f je napětí do přetrhu vlákna. Pro kruhová vlákna poloměru r je

Lc 

r f 2

70

d [mikrometr]

Ohebnost vláken

Vztah mezi počátečním modulem a průměrem vlákna s flexibilitou jako má polyesterový monofil o průměru 56 m a modulu 12 GPa.

60

50

40

30

20

10

0

100

200

300

400

500

600

700

800

E [GPa]



Ohebnost vláken závisí na počátečním modulu v tahu E a plošném momentu setrvačnosti I. Pro kruhová vlákna průměru d je

I   d 4 / 64



Mírou ohebnosti vláken je parametr Fe = 1/(M R), kde M je ohybový moment a R je poloměr křivosti vlákna. Pro ohyb nosníku obecně platí: MR = E I. Pak pro kruhová vlákna poloměru d platí, že 64 Vlákna s vysokým modulem tedy Fe  musí mít dostatečně malý průměr E  d4 aby byla ohebnější

Geometrické vlastnosti -význam 



Ohebnost je nepřímo úměrná čtvrté mocnině průměru kruhových vláken (resp. jejich tloušťky). Pro vlákna s tloušťkou nad 40 µm jsou již vlákna příliš tuhá, a nejsou vhodná pro výrobu staplových přízí. Tloušťka přírodních vláken je kolem 10–40 µm a tloušťka syntetických vláken je kolem 10–25 µm.

Příčné rozměry PRŮŘEZ Kruhový vl, syntet.vlákna Podélný pohled (tloušťka)

d Jemnost jako průměr vlákna d

Nekruhový ba, ph Příčný řez Jemnost jako lineární hmotnost T

m l

Vlákna: Délka l [m] Měrná hmotnost  [kg.m-3] (9001560) Lineární hmotnost T [tex] Hmotnost m [kg] Objem V [m3] Povrch (bez konců) P [m2] Měrný povrch S = P/m [m2.kg-1] Charakterizace příčného řezu:

Plocha S [m2] Obvod O [m]

Vztahy pro kruhová vlákna Obvod příčného řezu

T Oo  2 r   d  2  106 Plocha příčného řezu Oo d πd2 T A   6 4 4 ρ 10 Průměr vlákna

Ao T do  2 2    106

l Povrch vlákna

T Po   d l  2 l  106 Objem vlákna lT Vo  Ao l   106 Hmotnost vlákna

lT mo   Ao l  6 10

Měrný povrch vlákna Po 2 103  4 Oo 4 S    2 mo   d d T

Příklad 

Pro vlákno délky l = 10 cm, jemnosti T = 1 dtex, a měrné hmotnosti  = 1000 kg. m-3 vyjde: Oo = 35 m; do = 11,3 m; Ao = 100 m2; Po = 0.035 cm2; Vo = 10-5 cm3; m = 10 g; SP = 3544.9 cm2.g-1 = 0.354 m2.g-1.

Povrchová plocha vláken 

Plocha Av Obvod Ov

Měrná povrchová plocha Sp, je definována jako povrch vlákna (bez povrchu konců) vztažený na jeho hmotnost. Pro kruhová vlákna poloměru r platí

2 r l 2 4 Sp    2  r l r T 



Pro vlákna nekruhového průřezu lze použít informace o jejich obvodu Ov a ploše příčného řezu Av. Využívá se plochy ekvivalentního kruhového vlákna Ae majícího stejný obvod Ov Ae  Ov2 /  4  Platí, že

Ov l Ov 4 4  (q  1) 2 Sp     Av l  Av  Ov c  Ov 

Povrchová plocha a poloměr vláken 10

10

4

3

Povrchova plocha [m2/g]

Nylon 1140 kg/m3 10

2

Uhlik 1800kg/m3

10

1

Konvencni vlakna 10

0

Mikrovlakna

Nano vlakna 10

-1

-2

10 -3 10

10

-2

-1

0

10 10 polomer vlakna [mikrometr]

10

1

10

2

Tvar příčného řezu I 



Kruhovost c je poměr plochy příčného řezu vláken Av a plochy ekvivalentního kruhového vlákna Ae stejného obvodu Pro čtvercový příčný řez

Ae  4c2 /   resp Av  c2

Ekvivalentní průměr z obvodu de (průměr kruhového vlákna se stejným obvodem) O O   de  de   Ekvivalentní plocha:

 d e2 O 2 Ae   4 4

c = /4 = 0,785. Av Av 4  1  Pro obdélníkový příčný řez se c   2 stranami Ae Ov (q  1) 2 b=2 a je c=0,698. Peirce ( cirkularita vlákna)

O V

Příklad

Vlákno čtvercového průřezu Vepsaná kružnice Ekvivalentní průměr dR z plochy Ovk   a dvk  a (průměr kruhového vlákna se stejnou plochou). Opsaná kružnice 2 Oo  2 a 

Čtverec

Ov  4 a Kruhovost

Av  a 2

do  a 2  1,41 a 4a de   1,27 a  4a

d R2 



4  a2  C   0,785 2 16 a 4

 dR A  4

Av dR  2 

d R2  C de2

C1

d 2R A  C 2 de Ae 2 4 Ae O 2 de  2   

Tvar příčného řezu II  Ovalita ck. je rovna poměru Rozvinutost tvaru (Malinowska) obvodu vlákna Ov a obvodu q je často používána v textilních ekvivalentního kruhového aplikacích. Platí, že vlákna Oe (se stejnou plochou  O    de  1 q  1    1   1 příčného řezu) C Ov Ov   dR    dR  ck   tedy c  1/ck 2 Oe 2  * A v 

q=0

q = 0,09–0,12

q = 0,45–0,5

1 c q  ck  1 c

Výhoda : (q + 1) je korekční faktor O q  1   ON  OR  q  1   d R  q  1   4 dR

S N  S R  q  1 A N  A R q  1

Porovnání charakteristik tvaru

rozvinutost tvaru

Pro k=1 je rozvinutost tvaru kruh

0

obdélník 0,128 trojúhelník 0,286 Strany (osy): x a kx. Pro různé tvary příčných řezů může vyjít stejný tvarový faktor

Tvar příčného řezu III Tvar příčného řezu vláken má výrazný vliv na lesk, omak, drsnost objemnost, transportní vlastnosti textilií atd. Lesk vláken závisí na podílu odraženého světla R. 2 Fresnelova rovnice  (n  l )  n .. index lomu vlákna R    (n  l )    l .. Index lomu vzduchu Světlo se odráží od povrchu zrcadlením nebo difúzním rozptylem. Drsné a složité povrchy odrážejí světlo zejména difúzním rozptylem. To se projeví na vzniku světlejších odstínů a snížení lesku. Vlákna s komplexnějším povrchem se tedy jeví jako matovaná. U vláken s vysokým leskem (kruhový příčný řez) se provádí matování pomocí TiO2 (má vysoký index lomu).

O OD AV AD

Dutá vlákna

O vnější obvod vlákna, OD obvod dutiny, AD plocha dutiny, AV plocha hmoty vlákna A = AV + AD celková plocha vlákna. Koeficient plnosti vláken Fp Pro kruhová vlákna

Fp 

A  AD A

Fp 



4  A  AD O2

4 A

Koeficient zralosti (AV u bavlny souvisí se zralostí! )

AV Z A

AV 4 Z   Fp 2 d Pro kruhová vlákna je tedy F  Z.

V

O2

Vztahy pro dutá vlákna Hmotnost vlákna

1 mD   * A V * l  Z * A *  * l  Z *  *  * d 2 * l 4 Objem vlákna 1 S Měrný povrch vlákna d m 1 VD   Z * A * l  Z *  * d 2 * l  4

Povrch vlákna

PD  O * l   * d * l Jemnost vlákna mD TD   Z * A * l

PD O 4 SD    mD Z *  * A Z * d

1 SD  Pro kruhové vlákno plné d 1 Pro kruhové vlákno duté S D  Zd souvisí s průměrem i „zralostí“

Stupeň zralosti

Bavlna Náhrada reálného příčného řezu válcovou trubicí Plocha sekundární stěny Zesílení sekundární stěny P2 je vnější obvod vlákna v mikrometrech Modif. jemnost Hs v mtex  hustota sekundární stěny v g/cm3 = 1.52 g/cm3 Jemnost H v mtex

Vnější obvod vlákna v mikrometrech

Měření průměru vláken

10 µm

Objektiv 20x: 10 dílků = 20 dílky µm => 1 dílek = 2 µm

Přímá metoda: projekční mikroskop (LANAMETR) Krátké úseky vláken  2 mm (cca 500). Při pevném zvětšení 500 x odpovídá 1 mm na matnici 2 m tloušťky vlákna ve skutečnosti. Měří se tloušťka vláken dj a zařazuje se do tříd nj, dj, j = 1 . . . M. A. Náhodný výběr ( konce ležící v místě X) d   n j d j  f d  j j

n

j

B. Lanametrický výběr Pravděpodobnost výběru závisí na délce vláken mikrotomem

Lanametrický průměr d  MA (průměru vláken) (moyenne arithmetique). B

Vlákna hodnoty: lj, nj, dj, (Aj), j = 1...M Počet vláken délky lj takto vybraný xj x j  cn j l j

Vztah mezi :

dB

j

j

j

 2 l dB  k   

j

j

l

j

j

j

2 j

l

 



l

2

Délkově vážený průměr!

j

j

l

lj

2

j

Vl 

l

   f j l   f j l j  2 l

j

dB

k  f j * l 2j

dB 

n l d f d     l n l   f l     k l V

a

d j  k *lj d  k * l

Nechť:

Lanametrický průměr

x d   x

d

2

 1  d Vl 2  1

Gravimetrická metoda - kruhová vlákna lj Vlákna j tá třída : Aj (plocha příčného řezu), lj, nj, dj, . Hmotnost vláken j tá třída Postup a) určení průměrné délky l   f j l j m j   Aj l j n j  n f j l j jedno vlákno b) určení počtu vláken n   n j

Aj 

c) zvážení všech vláken m   m j m   n l A d) výpočet průměrné plochy příčného řezu A  f j l j Aj  f j l j Aj m A   nl l  f j lj

A   d R2 / 4

4A 4  f j l j Aj e) Průměrná hodnota d R dR    d R  RCM   l ( Racine du Carré Moyenne)

2 f l d  j j j

f

j

lj

Vztahy mezi lanametrickým a gravimetrickým průměrem Lanametrická variabilita (průměru vláken) 2 2  l ,d f j lj d j   f j lj d j   2 Vl ,d   l ,d    dB  f j l j   f j l j 

d  2 R

2 l ,d

  f j lj d j   f l j j 

2

 2 2 2 2 2 2  d 1  V  d 1  V 1  V   l   l ,d  B  l ,d  

d B2 Vlna:

Vl ,d  0.25

dR  dB

1  V d 1  Vl 2 l ,d

2



1V

2 l ,d

m l*S * T   S* l l

Jemnost I   







Pro vyjádření tloušťky vláken standardně používá jemnost (měrná lineární hmotnost) (jednotky [tex]). Jemnost T je definována jako hmotnost vlákna m[g] na jednotku jeho délky l (v jednotkách [tex] to jsou gramy na 1 km). Je zřejmé, že při stejné jemnosti T bude průměr vláken s menší měrnou hmotností (hustotou) větší než průměr vláken s vyšší měrnou hmotností. Měrná hmotnost většiny vláken je od 900 do 1600 kg/m3. Keramická vlákna 2000 až 4000 kg/m3 , kovová vlákna od 2000 do 10000 kg/m3 a uhlíková vlákna od1600 do 2100 kg/m3. Jemnější vlákna: ohebnější, větší povrchová plocha (soudržnost)

jemná = 1 dtex Chemická vlákna jemnost kolem 1–5 dtex extrajemná = 0,5 dtex Superjemná = 0,1 dtex

Jemnost II vlákno

tloušťka d [µm]

typická T [dtex]

bavlna (S.I.)

10

1

bavlna (Indie)

18

3

vlna (merino

22

5

vlna (Asie)

43

19

přírodní hedvábí

12

1,6

len (fine)

10

1

len (coarse)

27

7

Přímé měření jemnosti Gravimetrická metoda Výběr několika set vláken (400  1 600) a určení jejich celkové hmotnosti m. a) společné vážení všech vláken  m b) společné vážení všech vláken přibližně stejné délky lj (třídění) a generální průměr (ASTM - ba) c) vážení úseku vláken malé délky l  m l

Jemnost

m  mg  4 T  dtex   10 l  mm Tex = hmotnost (g) délky 1km

Pro kruhová vlákna

4

m dR   nl

Mikroskopická metoda Projekční mikroskop s výpočtem jemnosti z tloušťky vlákna 1 – zdroj světla, 2 – kolektor, 3 – hranol, 4 – kondenzor, 5 – preparát, 6 – objektiv, 7 – hranol, 8 – zrcadlo, 9 – matnice

Matnice

Obrazová analýza Tv  Sv vk 10 [ tex ] 6

Pro stanovení ploch příčného řezu Sv je nutno zhotovit preparát v řezu a je nutno kalibrovat systém. Při stanovení zobrazovacího modulu se počítá zobrazovací modul plošný (přes mikrometrické měřítko) Průřezy jsou d • Obkreslovány a planimetrovány • Fotografovány a planimetrovány • Přenášeny přes digitální kameru do systému obrazové analýzy : - mikroskop - makroskop - scanner - kamera

Nepřímé měření jemnosti Obyčejně kalibrováno přes výsledky lanametru  d B

a) průchod vzduchu přes chomáč vláken  měrný povrch b) difrakce světla  průměr d

c) radioizotopová metoda  plocha P d) sedimentační metoda  objem V

e) volné vibrace  lineární hmotnost

Výsledky Kruhová vlákna ( souvisí s průměrem d) Nekruhová vlákna ( souvisí s jemností T)

Pneumatické metody chomáč

Q p1 L

AcA

Q Jsou založeny na stanovení p2 odporu chomáče vláken (vlákenné ucpávky) proti pronikání vzduchu

Je nutno zajistit: Konstantní hmotnost chomáče m Konstantní tlakový spád p  p 2  p1 Konstantní rozměry vlákenné ucpávky A, L Odpor proti proudění vzduchu R = p/Q (měřený) závisí na jemnosti vláken, měrném povrchu a tvaru průřezu vláken. Prostup vzduchu vlákennou ucpávkou závisí také na velikosti mezi vlákenných pórů. U dutých vláken se projeví i podíl plochy dutiny Z  AV / A

Propustnost vzduchu Chomáč  porézní ucpávka Porozita chomáče 

m   1  Ac L

Ac

P1

m P2 L

Vv objem vláken

VV 

m

 Vc celkový objem V  A L C

KOZENY: laminární tok vzduchu přes porézní ucpávku při malém tlakovém spádu p  p 2  p1

Q..objemová rychlost průtoku vzduchu S..specifický povrch vláken (povrchová plocha /objem) ..koeficient viskozity vzduchu K..koeficient úměrnosti ( závisí na tvaru „kanálků“, orientaci kanálků, atd..)

1 Ac p 3 Q k S 2  L 1   2 Úprava KOZENY:

Kruhová Dutá

* ** p K  S 2 m 2 L2  K K R odpor proudění 2 R    K S  2  3 2 vzduchu Q d d Z    Ac L  m 

Principy měření Jemnost vláken T [tex] z odporu R proti pronikání vzduchu 3 1   Ac L  m  1 K1   konst. T  K1 R 2 2 2 2 K m  L S





A. Fibre Finenness (WIRA), Micronaire (Sheffield) Při konstantním p (adjustace manometrem). Pak Q  S 2

vznáší se kovové tělísko výška  Q

Q ... měřeno „Rotometr“

B. Při konstantním Q se manometricky měří p

p  S

C. Arealometer. Nastavuje se L tak, aby byla R = konst

2

LS

Faktor K souvisí s uspořádáním vláken v ucpávce a charakteru jejich povrchu. Nelze tedy přímo použít KOZENY ale je nutné kalibrovat (Lanametr).

Empirické modifikace LORD: Empirická modifikace KOZENY 5 1 I  0 ,903 Ac p 4 C 2 QI Plný průřez: S   2 L T 1    S Bavlna:

125 S  ZT 2

K1 K2  přesněji S  Z T Z T2 2

 .. specifický objem vláken (  0,75 pro ba)

Plocha stěny ba vlákna: AV   r12 Z  0,655 T  18 Měření zralosti a jemnosti bavlny: 2 různé porozity:

 1  0,885

(m1 = 4 g)  2  0,8277 (m2 = 6 g)

S1 S2

T militex

16,654 281,85    0 , 079  ZT Z T2  regrese 19,36 141,8 2  S2    2 ,14 2  ZT ZT S12 

Micronaire

g inch



g 2,54 mm

USA (ba) Vzduch o tlaku 61 lbf inch-2 ( 41,3 kPa) prochází přes vlákennou ucpávku hmotnosti 3,24 g ve válcové komůrce o rozměrech průměru d = 1 inch a délce L = 1 inch. Původní kalibrace: g.inch-1 (1 inch = 24,5 mm). Přístroje cejchovány v jednotkách micronaire. Vlna: tlak procházejícího vzduchu p = 45 lbf in-2 (31 kPa), hmotnost ucpávky m = 5,9 g. Převod mezi micronaire T  dtex   Micronaire/2,54 a dtex : [10-9kg/10-2m]

Fibre Fineness Tester Fibre Finennes Tester Stejný princip jako Micronaire, ale vzduch se odsává. Výhodnější (teplota, vlhkost vzduchu = KONST). Otevírání V až se dosáhne úrovně B. Empirické vztahy (ba):

WIRA A rotometr IM

B manometr

IM vlákna

V čerpadlo

Z * T  3,62 * I  18,16 * I M  13 2 M

Oddělené měření Z a T a) Causticaire: (ASTM) Vzorek m= 3,2 g. Určení IM1. Pak botnání v NaOH a určení IM2.

Zralost

100 I M 1 Z IM 2

Jemnost [mtex]

T  39,4 1,185  0,00075 I

2 M2

 0,02 I M 1 

b) IIC Shirley Finenness and Maturity Tester. Vzorek 4g , objemová rychlost průtoku vzduchu. Q = 4 l min-1 měří se p1. Stlačení na polovinu objemu,Q = 1 l min-1 měří se p2

F

Princip Arealometer

vzduch D

Působí stálý tlak. PORT - AR (Spinlab) vlákna

m = 8 g (ba)

L K S 2

*

2

vlákna volně pohyblivý píst

D

D D - kapiláry

AREALOMETER Princip „ Wheatstonova můstku“.

D

vodní nádrž

D

vzduchový filtr

čerpadlo

Vyrovnání tlaku v obou větvích můstku se provádí změnou délky L (ucpávky). Průměr ucpávky = 0.8 cm. Adjustace dále tak, že korektní objem vlákenné substance je 0.1 cm3. Navážka materiálu [g] je tedy = 0.1 měrné hmotnosti  [g cm-3] . Speciální příprava vzorku - vlákna tvoří smyčky orientované napříč směru průchodu vzduchu. PORT - AR: náhodné uspořádání vláken.

CSIRO Sonic Fineness Tester

měřicí zařízení

zesilovač

digitální display

měřicí čidlo M p2 V

M ... Piezoelektrický převodník

Alternující tlak vzduchu proudí axiálně přes vlákna (zvukové vlny). p1  p0  p1 * sin t  R ... odpor vůči proudění vzduchu zdroj

vlna R P0

D´ Acryho zákon: objemový tok přes porézní ucpávku je úměrný tlakové ztrátě  p  p1  p 2

p1

oscilátor

Převod hmotného toku na objemový P1 * sint   p 2 R

k * T dm Po úpravách:  * dp 2 P0 dt

Pro  *  * R  1 je:

R * *

dt

zesilovač signálu

generátor 50 Hz



V P0

 p 2  p1 * sint 

Měření tlakových fluktuací v nádobě je nepřímo p1 p2   * cost  úměrné R ( R je přímo úměrné S2 ).  * * R

Vibroskopy VOLNÉ VIBRACE Nedestruktivní - v kombinaci s měřením pevnosti. Vhodné pro chemická a syntetická vlákna s nekruhovým průřezem. Princip: Vlastní kmity ideálně ohebné struny. Příčné vlastní kmity f [Hz] ohebné struny délky l [m], lineární hmotnosti ( jemnosti) T zatížené hmotností M [kg] jsou: a ..je korekční faktor. 1 M Pro (přibližně) kruhové vlákno f  1  a  2* l T r 2  E (obyčejně a  0.03 a 2 l M a zanedbává se).

 1  T M  2 l f 

E [Pa] počáteční (Youngův) modul

VIBROSCOP (SHIRLEY)

Vibroskopy VIBROMAT (TEXTECHNO): měření Buzení kmitání

F

zvukovými vlnami.

1. Stanovení frekvence f pro zadané M a l. 2. Určení hmotnosti M při l = konst., kdy vlákno kmitá vlastní frekvencí f. VIBROSCOP (MORTON). 3. Nalezení délky l při M = konst., kdy vlákno kmitá frekvencí f. VIBROSCOP (SHIRLEY).

MORTON: Nožový element kmitá konstantní frekvencí 1640 cyklů s-1. Pomocí otočného válce se uvolňuje řetěz (M). Po docílení f je vlivem resonance amplituda kmitání maximální. Sledováno mikroskopem.

M

F - měřič fekvence

SHIRLEY: Frekvence je fixována křemíkovým oscilátorem. Vlákno kmitá vlivem elektrostatických sil (znázorněno na obrazovce přístroje). Délka l se mění tak dlouho, až je amplituda maximální (resonance mezi vlastní frekvencí vlákna a frekvencí oscilátoru). MORTON

1640 c.s-1

řetěz (M)

Ostatní metody měření jemnosti Metody používané v systémech HVI: FDA 200 (Textlab - Peyer): 1,8 mm dlouhé kousky vláken v kapalině. Měření laserem:

přijímač

AFIS (Uster):

Současné měření délky a průměru napřímených vláken v proudu vzduchu.

IMAGE ANALYSIS (Obrazová analýza):

Úseky vláken 0,2  0,3 mm v isopropylalkoholu. Speciální zvětšení 10 x. - automatické měření - operátor vybírá objekty

Porovnání výsledků- bavlna I Uster Statistics

0,26 0,24

THVI =3,5594 T AFIS 1,722 [tex] [tex]

jemnost [tex]

0,22 0,2

AFIS

0,18

HVI

0,16

Vibroskop

Micronaire Spinlab HVI vs. Vibroskop

0,14 0,12

THVI = 0,6902 T vibro

0,1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 číslo vzorku

[tex]

[tex]

Porovnání výsledků- bavlna II 0.26

fineness [tex]

0.24 0.22

AFIS HVI Vibroskop Gravimetric method LL Gravimetric method UL

0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 sample n.

Vibroskop vs. Gravimetrická metoda Tvibro = 0,7 T gravi +0,079 [tex]