TEXTÍLIÁK NYÍRÁSI TULAJDONSÁGAINAK MEGHATÁROZÁSA

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK TEXTÍLIÁK NYÍRÁSI TULAJDONSÁGAINAK MEGHATÁROZÁSA ÉS ELEMZÉSE SZAKDOLGOZAT FARKAS BALÁZS TÉMAVEZETŐ: MOLNÁR KOLOS KONZULENS: DR. HALÁSZ MARIANNA 2013

2 2

3 NYILATKOZAT a szakdolgozat beadásához Alulírott Farkas Balázs, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Karának gépészmérnök alapszakos végzős hallgatója nyilatkozom, hogy a Textíliák nyírási tulajdonságainak meghatározása és elemzése címmel 2013 évben írt és bírálatra valamint védésre beadott dolgozatom saját munkám eredménye, amelynek elkészítése során a felhasznált irodalmat a szerzői jogi szabályoknak megfelelően kezeltem (a szükséges hivatkozásokat, valamint az ábrák hivatkozását megfelelően helyeztem el). Budapest, hónap.nap... A hallgató aláírása (Neptun kód) 3

4 4

5 TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉSEK ÉS RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉS SZAKIRODALOMI ÁTTEKINTÉS SZÖVETEK ÁLTALÁNOS JELLEMZŐI Műszaki textíliák bemutatása MŰSZAKI SZÖVETEK ALAPANYAGAI Az üvegszál A szénszál Az aramidszál A poliészterszál A SZÖVETEK SZERKEZETI FELÉPÍTÉSE Sodrat Kötésmód A SZÖVETEK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAI Szövetek nyíró vizsgálata A fonalkihúzás vizsgálata Új, kombinált vizsgáló berendezés A SZAKIRODALOM KRITIKAI ELEMZÉSE, CÉLKITŰZÉS FELHASZNÁLT ANYAGOK ÉS BERENDEZÉSEK VIZSGÁLATI ANYAGOK A VIZSGÁLATOKHOZ FELHASZNÁLT BERENDEZÉSEK VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK BEMUTATÁSA ÉS ELEMZÉSÜK NYÍRÓVIZSGÁLATOK Befogási szög hatásának vizsgálata üveg- és PES szövetnél Keresztirányú előterhelés nyíróerőre gyakorolt hatásának a vizsgálata Molnár-féle nyíróbefogóval és átlósirányú húzással végzett nyírás összehasonlítása FONALKIHÚZÁS VIZSGÁLATA Fonalak érintkezési ívéhez tartozó középponti szög meghatározása Fonalkihúzási vizsgálat a Molnár-féle nyíróbefogó segítségével Súrlódási tényezők meghatározása ÖSSZEFOGLALÁS IRODALOMJEGYZÉK

6 6

7 JELÖLÉSEK ÉS RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE Rövidítések PVC Polivinil-klorid HOPE Highly Oriented Poliethylen (nagy orientáltságú polietilén) KES-FB Kawabata Evaluation System for Fabrics (Kawabata kelmeelemző rendszer) KES-FB1 A KES rendszer húzó- és nyíró berendezése FAST Fabric Assurance by Simple Testing (Kelmetulajdonságokat vizsgáló egyszerűsített mérőrendszer) PP Polipropilén PES Poliészter P465 A vizsgálatokhoz használt poliészter szövet jelölése U250 A vizsgálatokhoz használt üveg szövet jelölése 7

8 Jelölések Φ [ ] Nyírási szög a KES-FB rendszerben G [N/m/ ] Fajlagos nyírómerevség a KES-FB rendszerben 2HG [N/m] Nyíró hiszterézis magasság ±0,5 -os nyírási alakváltozásnál a KES-FB rendszerben 2HG5 [N/m] Nyíró hiszterézis magasság ±5 -os nyírási alakváltozásnál a KES-FB rendszerben Δx [mm] A Molnár-féle nyíróbefogó előfeszítő rugójának hosszváltozása Y 0 [mm] A Molnár-féle nyíróbefogóba befogott minta eredeti szélességének a fele (= oldalirányú elmozdulásra képes oldalsó befogók eredeti távolsága) Y 1 [mm] A Molnár-féle nyíróbefogó szélső befogásainak a megváltozott távolsága (= oldalirányú elmozdulásra képes oldalsó befogók megváltozott távolsága) α [rad] Lánc- és vetülékfonal érintkezési ívének középponti szöge e [-] Euler-szám, matematikai állandó, értéke közelítőleg 2,7183 μ [-] Fonalak közötti súrlódási tényező 8

9 1. Bevezetés és célkitűzés A különböző szöveteket és kelméket egyre elterjedtebben használják műszaki területeken kiváló alakíthatóságuknak és kedvező mechanikai tulajdonságaiknak köszönhetően. A szőtt kelméket, azaz szöveteket hőre lágyuló és a hőre keményedő polimerek kíséretében egyaránt szívesen alkalmazzák erősítőanyagként kompozit struktúrákban. A felismerés, mely szerint a szálerősítésű polimer kompozit anyagok nagy szilárdsággal, nagy szívóssággal és kis fajlagos tömeggel rendelkeznek megnyitotta az utat a széleskörű ipari alkalmazásuknak. Elsőként főleg az üvegszálból készült erősítőanyagok terjedtek el, később a szénszál, az aramid és a bazalt is teret hódított. Kompozit anyagok szerkezeti anyagként történő alkalmazása megkövetelte, hogy egyre összetettebb geometriájú darabokat tudjanak létrehozni [1]. Nagyon sokszínű kínálat áll rendelkezésre az erősítőszövetek területén, ezért számszerűsíthető adatokra, mérhető tulajdonságokra van szükség, melyek az összehasonlítást és a megfelelő kiválasztást lehetővé teszik, segítik. A kompozit anyagok viselkedésének modellezésében és optimalizálásában igen nagy szerepet játszik az erősítő textíliák alapvető mechanikai tulajdonságainak az ismerete. A sporteszközökhöz, sporttáskákhoz, sátorponyvákhoz, vitorlákhoz gyakran használatos poliészter szövet tulajdonságait is fontos ismerni, például teherbírás, illetve várható élettartam becslés szempontjából. Nagyon fontos mechanikai tulajdonságok például a nyíró igénybevételre és a szálkihúzásra adott válaszfüggvény, valamint a hajlítással és az összenyomással szemben tanúsított ellenállás. Szakdolgozatomban a nyírási tulajdonságokat vizsgáltam a létező hagyományos módszerek mellett, egy újfajta, egyedülálló készülékkel is [2]. A készülék segítségével a fonalkihúzás vizsgálatára is lehetőség van, amelynek segítségével a fonalak közötti súrlódási kapcsolat tanulmányozható. Összehasonlítottam a hagyományos és az új vizsgálati eszközzel mért nyírási eredményeket, próbára téve ezzel az új mérőberendezést, és magát a mérési eljárást is. 9

10 2. Szakirodalomi áttekintés Ez a fejezet mutatja be a szőtt textíliák alapanyagait, fajtáit és szerkezeti felépítését, továbbá a szőtt textíliák főbb mechanika tulajdonságainak megállapítására használt mérési eljárásokkal foglalkozó szakirodalmat Szövetek általános jellemzői A szövetek olyan lapszerű kelmeszerkezetek, amelyeket fonalakból vagy fonalszerű szerkezetekből állítanak elő szövési technológiával. A fonalak keresztezésével ily módon létrehozott struktúrákra jellemző, hogy felületi területük jelentős az egész szerkezet vastagságához képest [1]. Az elemi szálakra jellemző a rugalmasságuk, továbbá az átmérőjükhöz viszonyított nagy szálhosszúságuk. Ez a viszonyszám általában nagyobb 100- nál. A kompozit anyagokban használt elemi szálak átmérője többnyire 5 m és 50 m közötti. Fontos ismérvük a textíliáknak továbbá a hierarchikus felépítésük: mikroszkopikus szinten az elemi szálak találhatóak, (2) makroszkopikus szinten az elemi szálak összességéből álló fonalak és maga a szövet látható. Mindegyik szintre jellemző egy karakterisztikus mérettartomány, amely szálaknál a 0,01 mm körüli átmérő, fonalaknál a 0,5-10 mm közötti átmérő, textíliáról és textilstruktúrákról pedig általában 0,1-10 m-es és ennél nagyobb mérettartományok esetében beszélhetünk. Fontos ismérve még egy-egy szintnek a kiterjedési dimenzió száma. Elemi szálaknál és fonalaknál ez jellemzően egy, szöveteknél és egyéb struktúráknál kettő vagy három [3, 4]. A szálak geometriája is igen különböző, mikroszkópos képeik nagyon változatosak. Ennek köszönhetően a szálak többségéről egyszerű szemrevételezéssel megállapítható, hogy milyen alapanyagból van és ezen felül következtetni lehet a feldolgozhatóságra, fonhatóságra is. Például a pamutszálaknál a csavart szerkezet, a gyapjúszálaknál pedig a pikkelyes felület növeli a szálak közötti súrlódást, tehát ezek a szálfajták jól és könnyen fonhatók [5]. Az 1. ábra néhány jellegzetes szálfajta vázlatos mikroszkópi képét mutatja. 10

11 1. ábra: Szálak vázlatos mikroszkópi képe [5] A szövetek szerkezetének jellegzetessége, hogy szálak sokaságából áll. A polimer szálaknak nagy a húzószilárdságuk, mivel morfológiai szerkezetük a hossztengelyükkel párhuzamosan elhelyezkedő lineáris óriásmolekulákból, polimermolekulákból épül fel,. Az elemi szálak szilárdságán túl, a szálak mobilitásából és a nem összefüggő szerkezetből adódóan a szálak összességéből álló speciális makroszerkezet olyan, hogy megakadályozza a repedésterjedést az igénybevétel koncentrálódásának helyén, és ez által megbízható szilárdságot ad a szövetnek. A szálgyártási technológiák fejlődésének köszönhetően a láncmolekulák egyre nagyobb orientációja hozható létre, ami egyre nagyobb szilárdságú szálak, fonalak gyártását teszi lehetővé [1, 5]. A szőtt szerkezeteket számos iparág nyersanyagként és szerkezeti elemként használja fel, hiszen könnyű formálhatóságuknak köszönhetően bonyolult geometriák is létrehozhatóak belőlük. Rendkívül sokrétű a textíliák alkalmazása a ruházati és a lakásdekorációs célokon túl is, használják többek között a járműiparban (légzsákok, kárpitok, üléshuzat stb.), a gyógyászatban (steril kendők, védőruhák, kötözőszerek), sporteszközökhöz (hajóvitorla, siklóernyők, hőlégballonok, sátrak stb.), továbbá kompozit termékekben, beágyazott erősítőanyagként [4]. 11

12 Műszaki textíliák bemutatása Több kategorizálási sémát is javasoltak a textíliák csoportosítására, az egyik ilyen a Techtextil, a piacvezető nemzetközi technikai textília kiállítás által előterjesztett, amely szerint a textíliákat alkalmazási területnek megfelelően 12 fő csoportba érdemes sorolni [4]: agrotech: mezőgazdasági, erdészeti buildtech: építőipari alkalmazások clothtech: ruházat, vagy lábbelik technikai részei geotech: geotextiliák, környezeti alkalmazások hometech: lakberendezés, függönyök, szőnyegek indutech: szűrők, tisztítás, és egyéb ipari alkalmazások medtech: orvosi alkalmazás mobiltech: közlekedési eszközök, autók, hajók oekotech: környezetvédelem packtech: csomagolástechnika protech: személy és vagyonvédelem sporttech: sport és szabadidő A Textil Intézet (Textile Institute) által megfogalmazott definíció [4] alapján az olyan textilanyagok és termékek nevezhetőek műszaki textíliáknak, melyeknél a gyártás során a fő cél, hogy minél jobb műszaki tulajdonságokkal rendelkezzenek. Nem elsődleges szempont ezeknél az anyagoknál sem az esztétikus megjelenés, sem a dekoratív jelleg. Különbséget tesznek ugyanakkor a műszaki textília és az ipari textília kifejezés között. Lényegesek a különbségek, bár sok évig egybemosódott és nem különült el ez a két megnevezés, ugyanis minden olyan textíliát, amely nem ruházati, vagy háztartási célokra készült, ipari textíliának neveztek. Ez a csoportosítás egyre kevésbé bizonyult megfelelőnek, miután elkezdtek kifejleszteni textíliákat különböző orvosi, higiéniai, mezőgazdasági, sportterületi alkalmazásokra. Ezek világosan nem ipari alkalmazási területek voltak. Sokkal inkább a műszaki textíliák egy alcsoportjának tekintik most már az ipari textíliákat (szűrők, szállítószalagok, géptakarók), hiszen tulajdonképpen ez is egy műszaki alkalmazási terület. Ez a meghatározás azonban még mindig nem elegendően pontos. Ezeken felül természetesen még sokfajta jelzővel illetik a textíliákat, mint például: nagyteljesítményű (high-tech textiles), mérnöki (engineered textiles), és funkcionális textíliák, ám ezek a megnevezések sem elegendően precízek. 12

13 2.2. Műszaki szövetek alapanyagai Általában két alaptípust különböztetnek meg a szálasanyagok területén: a természetes szálakat és a mesterséges szálakat (2. ábra). Természetes szálak megtalálhatóak a természetben, közvetlenül szálformában, növényekben, állatokban, állatok bőrében vagy valamilyen ásványként. A növényi eredetű szálak magszálak vagy rostok. A rostok lehetnek szerkezeti rostok, levélrostok, keményrostok, gyümölcsrostok, háncsrostok vagy termésrostok. Az állati eredetű szálak két alcsoportra oszthatóak: szőrökre és mirigyváladékokra. A mesterséges szálakat vegyi és fizikai eljárásokkal állítják elő. Kiindulási polimerjeik egyaránt lehetnek a természetben is előforduló ún. természetes polimerek, vagy mesterségesen előállított polimerek. Mind a mesterséges, mind a természetes szálak szerves és szervetlen csoportra oszthatóak [5]. 2. ábra: Textilalapanyagok csoportosítása [6] 13

14 A továbbiakban azokat az alapanyagokat mutatom be, amelyeket műszaki területeken is széles körben alkalmaznak Az üvegszál A szilikátok családjába tartozó üvegszálat igen széles körben alkalmazzák szerkezeti anyagként, a kompozit erősítőszövetek egyik legelterjedtebb alapanyaga. Az üveg a polimerekhez közel álló anyag, mivel a benne lévő oxidok egyetlen óriásmolekulává egyesülnek, melyekben a nagy energiát képviselő ionos- és kovalens kötések dominálnak. Ennek köszönhetően nagyon nagy szilárdságú szálak húzhatóak üveg ömledékből, megfelelő szálképző fej segítségével 10 3 nagyságrendű elemi szálból álló köteg, úgynevezett roving állítható elő. Az elemi szálak átmérője jellemzően 10 m körüli [8] A szénszál A szénből készült erősítőszálak jó műszaki tulajdonságait a szén-szén kötések szilárdsága biztosítja. Egyre elterjedtebben használják kompozit-erősítő szövetként. A rendkívüli szilárdságot és az ezzel együtt járó nagy moduluszt használják ki a szénszálakkal erősített kompozit anyagokban. A szénszálgyártás kiinduló anyaga (prekurzor) többféle polimer lehet, lényeges megkövetelt tulajdonsága az, hogy úgy lehessen elszenesíteni, hogy közben ne olvadjon meg és ne égjen el, hanem a kívánt szerkezetté alakuljon át. A kész szénszálakra jellemző átmérő 7-8 m, az elemi szálakat tartalmazó köteg mintegy 4x10 4 elemi szálat tartalmaz [8] Az aramidszál Az aromás poliamidok különleges szerkezettel rendelkeznek, ezért nagy a szilárdságuk és jó a hőállóságuk. A para-kötéssel kapcsolódó aromás poliamid szálak (Kevlar, Twaron, Technora) rendkívüli mechanikai tulajdonságaiknak köszönhetően vetekszenek a legjobb acélokkal (Jellemzői: 3000 MPa fölött szakítószilárdság, GPa közötti húzó modulusz és mindössze 1,44 g/cm 3 sűrűség). Nagyfokú orientálásnak köszönhetően nyerik el nagy szilárdságukat. Jó szívósságuknak, és nagy ütésállóságuknak köszönhetően speciális területeken is alkalmazzák őket, ismert példa a golyóálló mellény [8]. Az elemi szálak átlagos átmérője para-aramid esetében 10 m. Fonalakat elemi szálból építenek fel [3]. 14

15 A poliészterszál A szintetikus textil alapanyagok közül, a poliészternek igen jelentős a műszaki alkalmazása. PVC-vel kenve, hőre lágyuló kompozit ponyvát készítenek belőle, melyeket főleg az építőiparban használnak könnyűszerkezetes tetőszerkezetként, továbbá sátoranyagként. A poliészter, a kristályos, hőre lágyuló polimerekhez tartozik, szerkezete hajtogatott láncmolekulából épül fel [8, 9] A szövetek szerkezeti felépítése A síkszövésnél hagyományos esetben két, egymásra merőleges fonalrendszer keresztezésével állítják elő magát a szövetet. Multiaxiális szöveteknél eltérések vannak ehhez képest. A láncfonalak a szövet hosszirányában helyezkednek el, azaz a gyártási irányban, az erre az irányra merőlegesen elhelyezkedő fonalakat vetülékfonalnak hívják. Egy szövet két fő jellemzője a szövetet felépítő fonalak tulajdonságai és szerkezete (sodrat), valamint a szövetet alkotó fonalak kötési rendszere (kötésmód) [6, 1] Sodrat A fonal tulajdonképpen folytonos, lineáris szerkezetté rendezett, textilszerű jellemzőkkel rendelkező szálak összessége. A textilszerű jellemzők elsősorban kiváló hajlékonyságot és jó húzószilárdságot takarnak. A fonalak felépülhetnek végtelen hosszúságú filamentekből, vagy véges hosszúságú elemi szálakból. Ezen elemi szálak, vagy filamentek között valamilyen módon biztosítani kell az összetartást, és meg kell akadályozni a szétcsúszást, hogy jól használható fonalat kapjunk. Ezt általában sodrással oldják meg, ezért a fonalak fontos szerkezeti jellemzője a sodrat. Kettő, vagy több fonal szintén összesodorható, sőt az így kapott cérnák is ismét tovább egyesíthetők és összesodorhatóak. A fonalak későbbi tulajdonságait alapvetően meghatározzák az elemi szálak vagy filamentek tulajdonságai [10]. A sodrásból következően az elemi szálak csavarvonalszerűen helyezkednek el a fonalban, ennek a csavarvonalnak az iránya a sodratirány. Két sodratirány létezik, S és Z irány. 15

16 Ha a függőleges helyzetben tartott fonal elemi szálai a Z betű középső vonalával állnak azonos irányban, akkor Z sodratú fonálról lehet beszélni, ha az S betű középső vonalára illeszthetőek, akkor S sodratú a fonal [10]. A 3. ábra szemlélteti a sodratirányokat. 3. ábra: S és Z irányú sodrat és az összetett fonal [11] Kötésmód A szövetek közötti alapvető, látható különbség adódik a kötésmintából. Rendkívül sok különböző kötésminta létezik, ám ezek általában visszavezethetőek három alapkötésre, valamint ezek kombinációjára. Ezek az alapkötések a vászon, a sávoly és az atlasz (4. ábra). Jellegzetességük, hogy mintaelemük négyzetes, vagyis a mintaelemet alkotó lánc- és vetülékfonalak száma azonos, továbbá a mintaelemen belül minden lánc- és vetülékfonal csak kétszer változtathatja meg a helyzetét a textília fonák- és a szín oldala között, vagyis a kereszteződési számuk kettő. A mintaelem minden egyes lánc- illetve vetülékfonala más vetülékfonalon, illetve láncfonalon kereszteződik [6] ábra: Alap kötésminták [6]

17 2.4. A szövetek mechanikai tulajdonságai A textilanyagok vizsgálata az utóbbi időkben egyre fontosabbá vált, a textíliákkal szemben támasztott egyre növekvő igények következményeként. Egyre több hozzáértő, szaktudással rendelkező cég rendel speciális mechanikai tulajdonságokkal és viselkedéssel bíró textíliákat, ami viszont szükségessé teszi a textilanyagok tulajdonságainak minél jobb megértését. A textíliák vizsgálatának célja a nyersanyag, a gyártás és a termék minőségének az irányítása. A minél objektívebb, ugyanakkor minél kevésbé szubjektív mérce létrehozása kiemelkedő fontosságú [7]. A szövetek mechanikai vizsgálatára léteznek univerzális berendezésekkel végrehajtható mérési eljárások. Vannak azonban speciálisan kelmék vizsgálatára kifejlesztett eszközök is, ezek közt a legjelentősebb a Kawabata kelmeelemző (KES-FB) mérőrendszer. Ezt eredetileg a szőtt textíliák fogásának (tapintásának) objektív vizsgálatára fejlesztette ki Kawabata. Elvégezhető vele a kelmék hajlító-, nyíró-, nyomó- és húzóvizsgálata továbbá vizsgálható vele a szövet súrlódása és felületi egyenetlensége [12] Szövetek nyíró vizsgálata Fontos a nyírási tulajdonságokat ismerni, ugyanis a kétszeresen görbült felületek befedésénél a hajlítás mellett a nyírás a legszámottevőbb deformáció [15]. A szövetek nyírási tulajdonságainak a meghatározásához leggyakrabban használt módszerek az átlós irányú húzóvizsgálat és a keretes vizsgálat. Fontos mérni eközben a nyírási szöget, vagyis a lánc- és a vetülékfonal által bezárt szög nagyságának a változását, hiszen ennek függvényében kell az erőt a mérés során rögzíteni. A nyírási szög meghatározásához egyre elterjedtebben használnak képfeldolgozáson alapuló módszereket [17, 18]. A szőtt textíliák általános nyíróvizsgálatra adott válaszfüggvénye három részre (5. ábra) osztható [22]. A legelső szakasz a rugalmas nyírási forgás. Ezt követően a fonalak elkezdenek forogni, ezt elsősorban a súrlódási erő akadályozza, a forgás szöge egyre nagyobbá válik. Itt már következtetni lehet arra, hogy a rögzülés, vagy más néven zárás szakasza fog következni. Végül a szövet rögzül, és hirtelen megnő a nyírófeszültség a szőtt textílián belül. 17

18 5. ábra: Nyírási vizsgálat általános válaszfüggvénye [22] A Kawabata kelmeelemző (6. ábra) KES-FB1 berendezése a kelmék mechanikai tulajdonságát határozza meg nyíró vagy húzó terhelésnél. A nyíróvizsgálathoz a befogott mintát 20 N nagyságú húzóerővel előfeszítik. Ezt a húzó terhelést állandó értéken kell tartani, hogy tiszta nyírás lépjen fel, ezért az egyik befogó egy hengeren van. Ennek a hengernek a forgatásával el lehet érni, hogy állandó legyen a szövetben fellépő húzás nagysága. A másik befogót egy motor mozgatja párhuzamosan a hengeres befogással, ennek következtében a mintát nyíró igénybevétel terheli. Mikor a Φ nyírási szög eléri a +8 -ot, a befogó visszafelé kezd el mozogni Φ = -8 -os szögig. A ciklusnak a 0 alatti szakaszában a szövetet ellentétes előjelű nyíró igénybevétel terheli. Közben a számítógép felrajzolja a nyírási ciklushoz tartozó hiszterézis görbét. A vizsgálat eredményeként a program meghatározza a fajlagos nyírómerevséget (G), valamint a hiszterézis magasságát ±0,5 -nál és ±5 -nál. A fajlagos nyírómerevséget a berendezés +0,5 és +5 között számítja ki. Ebből arra lehet következtetni, hogy mennyire képesek a fonalak a szöveten belül egymáson elmozdulni. A 0,5 -nál mért hiszterézis magasság (2HG) a kelme rugalmasságára utal, tehát minél kisebb ez az érték, annál rugalmasabb a szövet. Az 5 -nál mért hiszterézis magasság (2HG5) pedig a kelme alakíthatóságát jellemzi, azaz minél kisebb ez az érték, annál könnyebb a szövetet síkban alakítani. A berendezés csak hagyományos szövetek vizsgálatára alkalmas, erősítőszövetek nem vizsgálhatóak rajta [12]. 18

19 6. ábra: A KES-FB1 vázlata [13] Mohammed és társai cikkükben [14] különböző berendezéseken, három különböző módszerrel (7. ábra), vizsgálták szövetek nyírási tulajdonságait. Az első vizsgálatot a KES-FB berendezéssel végezték. A második vizsgálatot az Ausztrál Tudományos és Ipari Kutatóintézet által, kifejezetten szövetek vizsgálatára kifejlesztett FAST berendezéssel végezték el, amelynek során átlós, vagyis átlósirányú húzásnak tették ki a szövetet. Itt nem tisztán nyíró igénybevétel hat a szövetre, és a nyíró deformáció mértéke a minta különböző helyein különböző nagyságú, hiszen a minta szélessége folyamatosan változik. Mindazonáltal van egy olyan zónája a mintának, ahol tisztán nyíró igénybevétel hat. Szövetek nyírási vizsgálatára alkalmas további módszer az úgynevezett képkeretes vizsgálat (picture frame test). Itt a mintát egy négyzet alakú, sarkain csuklós keretbe fogják be, majd a keret szemközti két sarkát egy szakítógéppel húzzák szét [19]. A keret rombusszá alakul, a szövet pedig nyíródik. 19

20 7. ábra: Leggyakrabban használt nyíróvizsgálatok szöveteknél [14] Potluri és társai cikkükben [15] szintén ezt a három mérési módszert vizsgálták azzal a lényeges különbséggel, hogy az átlós irányú, szakítógéppel végzett vizsgálatot képfeldolgozással kombinálták. Vizsgálataik alapján összehasonlították a három módszert, és azt tapasztalták, hogy a keretes vizsgálatnál befogási problémák léptek fel, tehát a befogásokhoz közel eső területeken nincs tiszta nyírás. Az ebből kapott eredmények tehát pontatlanok. Ugyanakkor az átlós irányú húzóvizsgálatból kapott nyírófeszültség eredmények jó egyezést mutattak a KES-FB berendezéssel mértekkel. Arra a következtetésre jutottak, hogy a FAST nyíróvizsgálat elegendően hosszú mintával (8. ábra (b)) végezve (wide-strip bias extension), pontosabb eredményt ad, mint a keretes nyíróvizsgálat. A cikk írói ennél a következtetésnél a 8. ábrán látható geometriai különbségre hivatkoztak, tehát arra, hogy sokkal nagyobb a tiszta nyíró igénybevételnek kitett tartomány aránya az (8. ábra/a)) jelű mintánál, mint a teljes négyzet alapúnál (8. ábra/ b)). 8. ábra: Mintaválasztás hatása a tiszta nyírásnak kitett tartományra [15] 20

21 Zhu és társai cikkükben [17] a Kevlar 49 nevezetű, nagy teljesítményű szőtt textíliát vizsgálták egytengelyű, kéttengelyű (biaxial tension test) és képkeretes nyíró vizsgálattal. Felismerték, hogy a Kevlar 49 szövet nyírási válasza független a minta méretétől, továbbá hogy a nyíró erő/nyíró feszültség- nyírási szög függvénye négy jól elkülönülő részből áll össze, melyek: linárisan rugalmas forgási rész, disszipatív forgási rész, fonál összenyomódási rész és nyírásrögzítő rész. Willems és társai cikkükben [18] üvegszövetet, üveg-pp szövetet és szénszálas szövetet vizsgáltak keretes nyíróvizsgálat segítségével. Az adatok pontosabb feldolgozásához digitális képelemzést használtak. A vizsgálat megkezdése előtt az üres kereten végzett nyíróvizsgálat a berendezés kalibrálását szolgálja, és a nehézségi erő hatását hivatott meghatározni. Vizsgálataik után arra a következtetésre jutottak, hogy a képelemzés elengedhetetlen kellék a textíliákra ható igénybevételek megbízható vizsgálatához, a nyírási szög rögzítéséhez és a terhelés homogenitásának biztosításához. Felismerték azt is, hogy a keret és a szövet közötti nyírási szögben levő eltérés nagy fontosságú lehet, szövetfajtától függően, továbbá, hogy ez a szögkülönbség független az előterhelés nagyságától. Tapasztalataik nyomán rámutattak, hogy 12 -os nyírási szög fölött lényeges ellenállás növekedést tanúsítanak a vizsgált textíliák. Harrison és társai cikkükben [19] folytonos szállal erősített kompozit anyagokat vizsgáltak, keretes és átlósirányú nyíróvizsgálattal. Energia megmaradást felhasználó indoklást találtak arra, hogy a keretes nyíróvizsgálat pontosabb eredményre vezet, ha az eredmények normalizálása a minta területe helyett a négyzet alapú minta oldalhosszának figyelembevételével történik. Ezen az állításon tovább dolgozva olyan eljárás fejlesztettek, amely közvetlenül lehetővé teszi az átlósirányú húzó- és a keretes nyíróvizsgálat összehasonlítását. Az átlósirányú húzóvizsgálat eredményeit normalizálták. A szerzők azt állítják, hogy amennyiben normalizálás után kapott eredmények között csekély a korreláció, akkor valószínűsíthető, hogy az anyag viselkedése erősen nemlineáris függvénye a terhelésnek, vagy nagyobb valószínűséggel, valamilyen külső tényező befolyása érvényesül az eredményekben. A cikk írói arra a feltételezésre jutottak, hogy a keretes nyíróvizsgálat során hatásukat kifejtő mechanizmusok jobban reprezentálják az anyag feldolgozása során fellépő igénybevételeket, mint az átlósirányú nyíróvizsgálat mechanizmusai. Sun és Pan cikkükben [20] egy új mechanikai modellt javasoltak a szövetek nyíróvizsgálatánál kialakuló kiindulási megcsúszási szakasz környéki nyírási tulajdonságok kiszámítására. A már létező szövetnyírási mechanikai modellel szemben (Grosberg és Park modell) ez nem csak a fonalak megnyúlását, hanem a fonalak csavarodását is figyelembe 21

22 veszi, ennek köszönhetően közelebb áll a valósághoz. Ez az új modell tekintettel van a fonalak hullámosságára, de ugyanakkor matematikailag is korrekt. Megjegyzik, hogy további vizsgálatok szükségeltetnek a modell fejlesztéséhez, hogy lehetőleg még ennél is pontosabb eredményt adjon. Liu és társai cikkükben [21] egy analitikus szilárdtest-mechanikai modellt javasoltak a szőtt szerkezetek nyírási és egyéb mechanikai tulajdonságainak meghatározására, hogy ezzel csökkentsék a nyírótulajdonságok időigényes, kísérleti úton történő meghatározásnak szükségességét. Keretes nyíróvizsgálatot végeztek, kétfajta üveg és polipropilén kevertszálas, szőtt szöveten. A modell kiteljesítéséhez szükséges, hogy a súrlódási erőket pontosabban meg tudják előre mondani, ami további kutatásokat igényel. King és társai cikkükben [22] új közelítő módszert javasoltak egy olyan kontinuum modell fejlesztéséhez, amely a szőtt textíliák síkbeli deformációit jelenítené meg. Ez a kontinuum modell szimulálná a már létező textíliákat, és előre vetítené az új szövetek viselkedését a fonalak tulajdonságai és a kötésmód ismeretében. A modellt bevitték az ABAQUS/Standard végeselem programba, és arra használták, hogy megbecsülje az egytengelyű lánc-, vetülékfonal, valamint 45 -os irányú húzóvizsgálatok eredményeit (a 45 os húzóvizsgálattal a nyíró igénybevételre adott válaszfüggvény határozható meg). Mindhárom esetben a program, pontosan előrevetítette a kísérleti úton kapott eredményeket. Kong és társai [23] glicerinnel nedvesített és száraz mintákon végeztek nyíróvizsgálatot átlósirányú húzóvizsgálat formájában. Azt tapasztalták, hogy glicerin jelenlétében lecsökkent a deformációval szembeni ellenállás. A fonalkihúzási erő is lecsökkent. Arra a következtetésre jutottak, hogy a glicerin kenőanyagként csökkenti a fonalak közötti súrlódást A fonalkihúzás vizsgálata A fonalkihúzási vizsgálat tulajdonképpen a kihúzandó fonal és az őt keresztező fonalak közötti súrlódási kapcsolatának legyőzéséhez szükséges erőt méri [24]. A fonalkihúzás mechanizmusának vizsgálatához, két szemközti oldaláról fogják be a mintát, majd a minta közepéről, egy a befogott oldalakkal párhuzamos szabad fonalat húznak ki (9. ábra). A fellépő deformációk ebben az esetben: először a fonal kiegyenesedése és megnyúlása, nyíró deformáció a kihúzandó fonal két oldalán, ez a súrlódásból ered, majd végül a fonal kiszabadulása a fonalak közül [24]. 22

23 9. ábra: Fonalkihúzás vázlata [25] Bilisik cikkében [25] para-aramid struktúrákból történő fonalkihúzással és azok statisztikai modellel történő elemzésével foglalkozott. Megfigyelt öt szakaszt a fonalkihúzásban (10. ábra), melyek közül az első statikus súrlódási szakasz, melyben a szövet elmozdul, ugyanakkor a bedolgozott fonal megfeszül. A fonalkihúzó erő ekkor éri el a maximum értékét, innentől kezdve csak csökken. Az ezt követő kinetikus szakaszban a fonal megcsúszik és elkezd áthaladni a keresztező fonalak között. Innentől kezdve két mozgásfajta van jelen, ezért ezt csúszó-tapadó szakasznak hívják. Amikor a kihúzott fonal, keresztező fonalak között halad át akkor kisebb erőre van szükség, mert a fonal megcsúszik. Amikor viszont azok felett vagy alatt, halad át, akkor tapad hozzájuk, tehát a függvénynek lokális maximuma van, mert ilyenkor nagyobb kihúzó erőre is van szükség. 10. ábra: Fonalelmozdulás-fonalkihúzó erő szövetkeresztmetszetekkel [6] 23

24 Parsons és társai cikkükben [26] olyan eljárást javasolnak, amely segítségével lehetővé válik a szálkihúzás végeselem módszerrel való szimulálása. Az eljárás kulcsa, hogy végeselem leírást a bedolgozott fonalak kereszteződésére használnak, nem pedig magukra a fonalakra. Ilyen modell még nem került eddig publikálásra, melyben a textília szálainak kicsúszása megengedett lett volna, holott rendkívüli jelentőségüket a ballisztikus védelemre használt szövetek, pontosan annak a tulajdonságuknak köszönhetik, hogy nagyon nehezen csúsznak el a szálaik egymáson. Rájöttek, hogy a szálkihúzás végeselem szimulációja, nagyban hozzájárul a Kevlar szövet nagysebességű lövedékekkel szembeni ellenállásának és energia elnyelő képességének a modellezéséhez. A szimuláció által adott eredmények egyeztek a kísérletekben mért, és a szakirodalomban található eredményekkel is. Nem csupán a ballisztikus védelem szimulálására használható, hanem számos más olyan esemény is szimulálható vele, ahol még előfordul fonal kicsúszás, mint például a kompozit anyagok formálása. Prodromou és Chen [27] azért vizsgálták a fonalkihúzási tulajdonságokat, mert össze kívánták hasonlítani azt a nyíróvizsgálatból kapott eredményekkel, pontosabban a lánc és vetülékfonal által közbezárt szöget és a súrlódást. A két eltérő módszer közötti kapcsolatot azzal bizonyították, hogy elvégezték a mérést kezeletlen szöveteken, és olyan szöveteken is, amelyekben a szövetekben a fonalak közti súrlódási erőt ragasztóval megnövelték. Vizsgálataikat többször elvégezték, mindig azonos eredményre jutottak. Kong és társai [23] glicerinnel átitatott szöveteken végeztek fonalkihúzó vizsgálatot, és a glicerin fonalcsúszásra gyakorolt hatását elemezték. Azt találták, hogy a deformációval szembeni ellenállás nem csak a terhelés nagyságától függ, hanem a glicerin viszkozitásán is múlik. Az átitatott szövetnek csökkent a deformációval szembeni ellenállása, így kisebb fonalkihúzási erőkre volt szükség. Arra jutottak, hogy a glicerin kenőanyagként működve, csökkenti a fonalak között fellépő súrlódási erőt Új, kombinált vizsgáló berendezés A nyírási és a fonalkihúzási tulajdonságok vizsgálatára egyaránt alkalmas az új nyírásmérő berendezés [2], mely nyírásvizsgálat esetén vízszintes irányú előterhelést alkalmaz, egy előterhelő rugó és két lineárisan csapágyazott, elmozdulásra képes befogásnak köszönhetően. Az elmozdulásra képes befogások rögzíthetőek, ezzel a szerkezet fonalkihúzási vizsgálathoz is alkalmas. A szerkezet részletes bemutatását a 3.2.-es fejezet tartalmazza. 24

25 2.5. A szakirodalom kritikai elemzése, célkitűzés A szakirodalom alapján a textíliák nyírási- és fonalkihúzási tulajdonságainak a vizsgálatára szolgáló módszerek kutatása, összehasonlítása fontos kutatási cél. Mindkét tulajdonság minél pontosabb meghatározhatósága, ismerete szerepet játszik a szőtt textíliák viselkedésének a modellezhetőségében. Már több végeselem modellt is javasoltak ezen tulajdonságok elméleti úton történő meghatározására. A szövetek nyíró igénybevétellel szemben tanúsított ellenállásának a mérésére három elterjedt módszer létezik: az átlós irányú húzóvizsgálat, a keretes nyíróvizsgálat, és a KES-FB berendezéssel történő nyíróvizsgálat. A Kawabata által fejlesztett KES-FB kelmeelemzővel történő nyíróvizsgálat a legjelentősebb, speciálisan kelmék vizsgálatára alkalmas berendezés. A mérés ezen a speciálisan erre a célra kialakított mérőrendszeren történik, azaz eszközigényes. Továbbá hátránya, hogy a módszer nem alkalmas műszaki textíliák mérésére, csak hagyományos kelmék vizsgálhatóak vele. A számítógép segítségével, automatikusan kiértékeli a mérést és megadja a fajlagos nyírómerevséget, a kelme rugalmasságát és a kelme alakíthatóságát jellemző tényezőket. Az átlós irányú húzóvizsgálat univerzális szakítógéppel elvégezhető, érdemes képfeldolgozással kombinálva végezni a mérést, a nyírási szög pontos szabályozása érdekében. A mintát 45 -os szögben elforgatva fogják be, aminek következtében a minta középső zónájában tiszta nyírás hat a szövetre. A mérés kiértékelésénél figyelembe kell venni, hogy a szövet bizonyos részeire húzó igénybevétel is hat. Ennek a vizsgálatnak egyértelmű előnye, hogy nincs speciális eszközigénye, és hogy a fonalvégek szabadok a tiszta nyírás zónájában. A keretes nyíróvizsgálatot szintén univerzális szakítógéppel végzik, általában ezt is képfeldolgozással kombinálva. A befogások, tehát a szélek környékén nem tisztán nyíró igénybevétel hat. Több kutatás is foglalkozott a két utóbbi, a keretes nyíró- és az átlósirányú húzóvizsgálat összehasonlításával. Potluri és társai [15] arra a következtetésre jutottak, hogy átlósirányú húzóvizsgálat eredményei nagyobb összhangot mutatnak a KES-FB-n mért eredményekkel, mint a keretes nyíróvizsgálat eredményei, amennyiben a mintákat elegendően hosszúra vágják ki, és hosszirányban végzik a húzást. Ilyenkor ugyanis a minta területéhez viszonyítva nagyobb részen lép fel tiszta nyírás, mint a keretes vizsgálatnál. Harrison [19] és társai szintén ezt a két módszert vizsgálták, ám arra a következtetésre jutottak, hogy a keretes 25

26 nyíróvizsgálat során fellépő igénybevételek jobban modellezik a szövetek feldolgozása közben fellépő igénybevételeket. Arra a következtetésre jutottak, hogy a keretes nyíróvizsgálat alkalmasabb a szövetek vizsgálatára, mindazonáltal az átlósirányú húzó vizsgálat hasznos kiegészítő vizsgálata a keretes nyíróvizsgálatnak. A fonalkihúzási tulajdonság vizsgálatára legjobban elterjedt módszer, mikor két függőleges befogásban rögzítik a minta két oldalát, majd függőlegesen fölfelé, szakítógéppel húzni kezdenek egy, a befogással párhuzamos fonalat. A méréshez univerzális szakítógépre, és megfelelő befogásra van szükség. Nincsenek egymástól lényegesen különböző eljárások a fonalkihúzás vizsgálatára. Prodromou és Chen a fonalkihúzás és a nyírás kapcsolatát vizsgálták, eredményeikkel jól alá tudták támasztani elméletüket, mely szerint nagyobb fonalak közti súrlódás esetén nagyobb lesz a nyíróvizsgálat során a fonalak által közbezárt szög is. Úgy gondolom viszont, hogy amennyiben összehasonlítható nyíróvizsgálati eredményre szeretnék jutni, akkor érdemesebb az átlós irányú húzóvizsgálatot használni, lehetőleg minél hosszabb mintákkal. Ugyanakkor gondolni kell arra is, hogy Potluri és társai pusztán elméleti úton támasztották alá elméletüket, ezért érdemes fenntartással kezelni azt. Áttekintve és elemezve az ide tartozó szakirodalmat a következő célok fogalmazhatóak meg: 1. Műszaki és hagyományos szőtt textíliák nyírási tulajdonságainak vizsgálata az új mérőberendezéssel. Egy üvegszövetet és egy műszálas poliészter szövetet választottam ki a vizsgálatokra. 2. Eltérő minta befogási szögek nyírási tulajdonságokra gyakorolt hatásának az elemzése. 3. Eltérő átlósirányú előterhelés nyíróvizsgálati folyamatokra gyakorolt hatásának elemzése. 4. Az új mérési eljárással kapott eredmények összehasonlítása valamelyik, a gyakorlatban elterjedt nyírásvizsgálati módszer által adott eredményekkel. 5. Fonalkihúzási vizsgálat elvégzése hagyományos és műszaki szöveteken, fonalak közötti súrlódási kapcsolat értékelése a mérés alapján. 26

27 3. Felhasznált anyagok és berendezések Ez a fejezet mutatja be a kutatásaimhoz használt vizsgálati anyagokat, mérési eljárásokat és a felhasznált mérőberendezéseket. Az összes mérésemet a BME Polimertechnika Tanszékének a laboratóriumában végeztem el Vizsgálati anyagok Munkám során két féle szövetet vizsgáltam, az egyik egy kompozit-erősítő szövetként használatos üvegszövet, a másik pedig egy hagyományos poliészter (PES) szövet. A kétféle szövet alapvető tulajdonságait az 1. táblázat mutatja be. A felhasznált üvegszövet a Krosglass (Lengyelország) STR típusú szövete. Ennek a paramétereiről a gyártó honlapján [28] található technikai információkat tartalmazó leírásból szereztem tudomást. Különféle kompozit alkatrészekben használják erősítőszövetként, például járművekben, hajókban, vagy sporteszközök bizonyos alkatrészeiben. A PES szövet néhány alapvető tulajdonságát mérésekkel határoztam meg. Ilyenek a kötésmód, a fonalsűrűség, a szövet vastagság, a fonalak lineáris sűrűsége, és a területi sűrűség. A vastagságának a meghatározásához Louis Schopper (Leipzig) gyártmányú szövet vastagságmérő berendezést használtam. 5 különböző helyen mértem meg a vizsgált szövetet, majd ezek számtani átlagát vettem. A fonalsűrűség meghatározásához egy 100x100 mm-es mintán megszámoltam a lánc- és a vetülékfonalakat, majd ezt vetítettem a 10 mm-es hosszra. A területi sűrűség meghatározásához kivágtam 5 darab 50x50 mm-es mintát, melyek területe így pontosan 0,025 m 2 volt. Ohaus Explorer típusú digitális mérlegen (méréshatár: 120g, mérési pontosság: 0,1mg) lemértem ezek tömegét, átlagoltam őket, majd megszoroztam 400- al, hogy négyzetméterre vonatkoztatott tömeget kapjak. A fonalak lineáris sűrűségét ugyanezzel a mérleggel határoztam meg, 5 különböző, 1 m hosszóságú dupla fonal tömegét mértem le, majd itt is átlagoltam és két méter fonalra vonatkoztattam és így számoltam ki a lineáris sűrűséget. A szövetekről számítógéppel összekapcsolt Olympus BX 51 típusú optikai mikroszkóppal készítettem felvételeket. A kötésmód meghatározásához ezeket a felvételeket használtam (11. ábra). Ezt a fajta műszálas szövetet gyakran használják sporttáskák és hátizsákok előállítására is. PVC-vel kenve jó ponyvaanyag készíthető belőle, sátrakhoz vagy könnyűszerkezetes tetőszerkezetekhez. 27

28 Jelölés Anyag Kötés mód Sodrat Lánc Vetülék Területi sűrűség átlag [g/m 2 ] szórá s Szövet Lineáris sűrűség [tex] vastagság [mm] Lánc Vetülék Fonalsűrűség [1/10 mm] átlag szórás átlag szórás átlag szórás átlag szórás átlag szórás U250 üveg vászon ,2 0, ,4 5 0,4 P465 poliészter panama Z Z 465 4,77 0,72 0, , , , ,49 Lánc Vetülék 1. táblázat: Vizsgálati anyagok tulajdonságai Méréssel határoztam meg továbbá mindkét szövet esetében a fonalbedolgozódás mértékét. Ehhez először lemértem egy tetszőleges fonal bedolgozott hosszát a szövetben, majd kihúztam, és kifeszítve ismét megmértem a hosszát. A két mért hossz aránya adja meg a fonalbedolgozódást. Minden mérést ötször végeztem el, és ezek átlagával számoltam tovább. A fonalbedolgozódás az alábbi 2. táblázatban rögzítettem. Bedolgozodás [%] átlag szórás U250 0,5 0,004 P465 4,6 0, táblázat: Fanalbedolgozódás mértéke 11. ábra: PES- (ballra) és üvegszövet (jobbra) fénymikroszkópi képe 28

29 3.2. A vizsgálatokhoz felhasznált berendezések A nyírási tulajdonságok méréséhez egy új nyíróberendezést és módszert [2] használtam (továbbiakban: Molnár-féle nyíróbefogó), amelyet univerzális szakítógépre kell rögzíteni. A szerkezet használható fonalkihúzási vizsgálatra is. A Molnár-féle nyíróbefogó alapötlete az, hogy a fonalak a nyírás folyamata alatt lehetőleg állandó hosszúságúak maradjanak, tehát ne nyúljanak meg, mert innentől kezdve nem csak nyíróerő, hanem húzóerő is beleszólna a mérésbe. Ennek érdekében ez a nyíróbefogó vízszintes irányú előterhelést alkalmaz, egy előterhelő rugó (12. ábra/3) és két lineárisan csapágyazott, elmozdulásra képes befogás (12. ábra/2b) segítségével. A két befogás el tud mozdulni a mérés folyamán, a szakítógép által a harmadik, középső befogásnak (12. ábra/2a) köszönhetően létrehozott függőleges irányú- és a rugó által gyakorolt átlósirányú erő függvényében. A rugó csak egy előre meghatározott (Δx) hosszig képes megnyúlni, utána a nagy orientáltságú polietilén (HOPE) fonal (12. ábra/4) megakadályozza a további nyúlást. A rugó lineáris karakterisztikájának köszönhetően ez az egyszerű mechanikus szerkezet lehetővé teszi egy állandó átlósirányú erő fenntartását, ±0,5%-os pontossággal. 20 N nagyságú előterhelés alkalmazása, és a karok 1 mm-el történő elmozdulása mellett. Mivel az nagyon kicsi függőleges elmozdulásról és a minta csekély deformációjáról van szó, ezért a rugóerő állandónak tekinthető [2]. 12. ábra: A Molnár-féle nyíróbefogó felépítésének vázlata [2]. 1: szövet próbatest, 2A: vízszintes elmozdulásra képes befogás, 2B: függőleges elmozdulásra képes befogások, 3: rugó, 4: HOPE fonal, 5: csapágyazott görgők, 6: kötél A textil próbatest mérés közbeni deformációját a 13. ábra mutatja. Jelen nyíróbefogó felépítésének köszönhetően a minta keresztirányú fonalainak a hossza mérés közben jó közelítéssel állandó, aminek következményeképpen tiszta nyírás hat a próbatestre. A befogási 29

30 távolság fele (Y 0 ) a középső befogás és a szélső befogás egymástól mért távolsága, ami kezdetben egyenlő a minta keresztirányú fonalainak a hosszával is. A középső befogásra gyakorolt húzás ellenére, a szálak hossza állandó Y 0 hosszúságú marad, mivel a szélső befogások befele történő elmozdulása ezt hivatott szolgálni. Eközben a mintára ható előfeszítő erő azonos nagyságú marad. A középső befogás és a szélső befogás távolsága ezáltal lecsökken Y 1 távolságra. 13. ábra: A minta viselkedése a nyíróvizsgálat folyamán [2] A rugó és a benne elhelyezkedő HOPE fonal 20 N előfeszítő erőre lett kalibrálva. A fonal biztosítja, hogy a rugó ne tudjon tovább nyúlni a 20 N nagyságú erőhöz tartozó megnyúlásnál. A Zwick Z005 (Németország) típusú számítógép vezérlésű szakítógépben rögzítettem a nyíróbefogót, és így végeztem el a vizsgálatokat (14. ábra). A nyírási vizsgálatok közben az erőket az 5 kn-os erőmérő cellával mértem, mind az üvegszövetnél, mind pedig a PES textíliánál. 20 mm/perces, egyenletes nagyságú nyírási sebességet alkalmaztam. 30

31 14. ábra: Szakítógépbe beépített vizsgálószerkezet (Szerkezet) Az α nyírási szöget a KES-FB berendezés által használt ±8 -ra választottam meg. Az ehhez tartozó elmozdulás értékeket kiszámítottam, majd ezeket állítottam be a szakítógép maximális, és minimális keresztfej elmozdulási értékeiként. A vizsgálat folyamán először +7,027 mm-ig mozdult a keresztfej fölfelé majd lefelé 0 mm-ig, ahonnan -7,027 mm-ig folytatódott a vizsgálat. A Molnár-féle nyíróbefogó egyik nagy előnye ez, hogy az átlós irányú húzóvizsgálattal szemben, a KES-FB berendezéshez hasonlóan teljes és körkörös nyírási ciklusok mérhetőek le vele. Minden mintán három ilyen ciklust mértem le, eredményként a keresztfej elmozdulása függvényében rögzítette a gép az erőket. Későbbi számításaimhoz az elmozdulás tengelyt utólag kellett átskáláznom fok beosztásúra. A nyírási tulajdonságokat egy második, hagyományos módszerrel is meghatároztam, méghozzá az átlós irányú húzóvizsgálat segítségével (16. ábra). A mérési elrendezésből adódik, hogy ez a módszer nem alkalmas komplett ciklusok mérésére, csupán egyirányú, egyszeri húzás lehetséges. Ennél a mérésnél szintén a Zwick Z005 (Németország) típusú számítógép vezérlésű szakítógépet használtam, 5 kn-os erőmérő cellával felszerelve. 50 mm széles és 50 mm befogási hosszú hullámos kialakítású mintabefogókat alkalmaztam. 31

32 Ennél a vizsgálatnál a vetülékfonalhoz képest 45 -ban kivágott minta húzóvizsgálatával határozható meg a nyíróerő (N) és a nyíró deformáció mértéke. A nyíró deformáció mértéke a szövet fonalai által bezárt szög (2Θ) megváltozásával jellemezhető (15. ábra). Ez a változás a nyírási szög (γ). 15. ábra: A nyírási szög alakulása terhelés hatására [6]. a.): terheletlen állapot, b.): terhelt állapot A geometrián alapuló nyírási szög meghatározást [29] használtam, ezért vizsgálat előtt meghatároztam az (1)-es számú összefüggésből levezetett (2)-es számú számítási összefüggéssel a 8 -os nyírási szöghöz szükséges keresztfej elmozdulást, és ezt állítottam be a szakítógép mérőprogramjában. A szakítógép a vizsgálat során a keresztfej elmozdulása függvényében rögzíti a húzóerőt. Az (1) összefüggés segítségével a mérés kiértékelésénél az elmozdulás értékekből számítható a nyírási szög, hiszen ehhez csak a minta geometriai adataira és a pillanatnyi nyúlás értékére van szükség. ( ) (1) (( ( )) ) (2) Ahol a nyírási szög, a lánc és a vetülékfonal által bezárt szög fele, a minta kezdeti befogási hossza, pedig a minta pillanatnyi nyúlása. 32

33 16. ábra: Nyíróvizsgálat átlós irányú (45 -os)[17] Fonalkihúzás (19. ábra) vizsgálatához ugyanazt a nyíróbefogót használtam. Az elmozdulásra képes oldalsó befogások ugyanis rögzíthetőek, ami alkalmassá teszi a nyíróbefogót fonalkihúzási vizsgálatok elvégzésére is. Szintén a Zwick Z005 (Németország) típusú szakítógépet használtam hozzá, a PES szövetnél 5 kn-os méréshatárú erőmérő cellával, az üvegszövetnél pedig 20 N-ossal. Az erőmérő cellára olyan befogót szereltem, amely képes egyetlen fonal kicsúszásmentes megfogására, ez főként a PES szövetnél volt fontos szempont. A fonalkihúzó vizsgálat során a szövetet a két szélén kell befogni, majd a középen az egyik fonalat szakítógép segítségével ki kell húzni. A gép rögzíti a kihúzáshoz szükséges erőt, a keresztfej elmozdulásának a függvényében (17. ábra). 33

34 17. ábra: Elméleti fonalkihúzási görbe [6] A diagramot és a kötélsúrlódás számításához használt Euler egyenletet (3) felhasználva, a (4)-es összefüggés alapján kiszámítható a fonalak közötti súrlódási tényező értéke [27]: (3) (4) és a fonalkihúzó vizsgálat során regisztrált erő-elmozdulás diagram -edik és -adik csúcsához tartozó erőérték, ahol. a két kiválasztott csúcs sorszámának a különbsége.. Az szög a kihúzandó, és az őt keresztező fonal érintkezési ívének középponti szöge (18. ábra) radiánban. 18. ábra: Az α szög definíciója [6] 34

35 Az szög meghatározásához poliészter gyantába öntöttem egy kis darabot mindkét szövetből, majd csiszolatot készítettem róluk, hogy az Olympus BX 51-es mikroszkóp segítségével le tudjam mérni az szögek értékét. 19. ábra: Fonalkihúzás mérési elrendezése 35

36 4. Vizsgálati eredmények bemutatása és elemzésük Ez a fejezet mutatja be és hasonlítja össze a vizsgálataim során nyert eredményeket, továbbá tartalmazza a vizsgálatok értékelését, és elemzését Nyíróvizsgálatok A kiválasztott szövetek nyírási tulajdonságainak a meghatározását főleg az új fejlesztésű nyíróbefogó segítségével végeztem el, de a hagyományosnak tekinthető átlósirányú húzóvizsgálatot is elvégeztem. Ezt a fejezetet a következő pontokra osztottam: Befogási szög hatásának vizsgálata üveg- és PES szövetnél Keresztirányú előterhelés nyíróerőre gyakorolt hatásának a vizsgálata A Molnár-féle nyíróbefogóval és az átlósirányú húzással végzett nyírás összehasonlítása Befogási szög hatásának vizsgálata üveg- és PES szövetnél A kétféle szövetből 7 különböző állásszög alapján vágtam ki a vizsgálandó mintáimat. Ezek rendre 0, 15, 30, 45, 60,75, és 90. Ezeket a szögeket a gyártási és a nyíróvizsgálat iránya között bezárt szögként értelmeztem, a gyártási irányhoz mérve. Mindegyik befogási szöghöz 3-3 darab 150x200 mm-es mintát vágtam ki, mindegyik mintán három nyírási ciklust végeztem, 20 mm/perces sebességgel. A mérési pontok mindegyik minta esetében jó ábra: Nyíróvizsgálat jellemző hiszterézis görbéje (PES 0 -os befogási szög)

37 közelítéssel hiszterézis görbe (20. ábra) mentén helyezkednek el. A két szélső befogó kezdeti távolságát 108 mm-re választottam. Számítógép rögzítette a mérési pontokat. A hiszterézis görbék területe változó volt a befogási szögtől függően. Minden befogási szöghöz tartozóan 3-3 mintát mértem le, mindhárom mérésből 2-2 teljes hiszterézis ciklus területet számoltam. Így befogási szögenként 6 terület eredményt adódott. Ezek átlagát mutatja a 3. táblázat. A táblázatban a szórás is fel van tüntetve. Külön-külön, a szórások feltűntetésével a 21. ábra mutatja ezeket. P465 U250 Minta befogási Terület [ N] Terület [ N] szöge [ ] átlag szórás átlag szórás ,3 34,1 43,0 26,0 20,1 6,8 13, ,2 6,1 44,1 42,9 81,0 75,8 7,2 3. táblázat: Nyírási területek A területek megfigyelésem szerint annál nagyobbak, minél nagyobb nyírómerevséggel rendelkezik a mért szövet az adott irányban. A polár diagramban (22. ábra) a P465 és az U250 táblázatban rögzített átlagos területeinek az összehasonlítása látható, a szög függvényében ábrázolva. A diagramot tükröztem az 90 -os és a 0 -os tengelyre is, hogy folytonos, 360 -ban értelmezett kimutatás legyen az eredmény. A P465-ös mintánál megbontja a mérési sor szimmetriáját az, hogy a 90 -os és a 0 -os minta eredménye az elvártnál jobban eltér egymástól. A következő diagramban (23. ábra) a hiszterézis diagramokról leolvasott maximális nyíróerő értékek vannak ábrázolva, a befogási szög függvényében. Befogási szögenként három különböző mérés leolvasott adata alapján készült a grafikon, szintén tükröztem az adatokat a fent leírt két tengelyre. Az eredmény megfelel a várakozásaimnak, tehát 45 -os befogás környékén van a legnagyobb erőkre szükség a szövet nyírásához, és területek is ezen a szakaszon a legnagyobbak. A területadatok ránézésre jól korrelálnak az adott befogási szöghöz tartozó maximális erő adatokkal, ezért a két diagram meglehetősen hasonlít egymásra. Elképzelhetőnek tűnik, hogy a hiszterézis-területek alkalmasak a szövetek nyírással szemben tanúsított ellenállásának számszerűsítésére. 37