Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Polimertechnika Tanszék HAJLÉKONY LAPSZERŰ ANYAGOK HAJLÍTÁSMÉRÉSI MÓDSZEREINEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA (TDK DOLGOZAT 2013) KÉSZÍTETTE : TATÁR NIKOLETTA J6ADKQ KONZULENSEK: DR. HALÁSZ MARIANNA DR. TAMÁS PÉTER PROF. DR. VAS LÁSZLÓ MIHÁLY
2
TARTALOMJEGYZÉK Tartalomjegyzék... 3 1. Bevezetés... 5 2. Irodalmi áttekintés... 8 3. Vizsgált anyagok... 12 4. Alkalmazott anyagvizsgálati és kiértékelési módszerek... 14 4.1 Optikai mikroszkópos vizsgálat... 14 4.2 Szakítóvizsgálat... 15 4.3 Ciklikus húzóvizsgálat... 16 4.4 Flexometeres hajlítóvizsgálat... 17 4.5 Optikai kihajlásmérő vizsgálat... 20 Kalibráció és képfeldolgozás... 20 Görbeillesztés... 23 A hajlítómerevség és rugalmassági modulus meghatározása... 24 5. Eredmények... 27 5.1 Optikai mikroszkópos vizsgálat... 27 5.2 Szakítóvizsgálat... 28 5.3 Ciklikus húzóvizsgálat... 31 5.4 Flexometeres hajlítóvizsgálat... 33 5.5 Optikai kihajlásmérő vizsgálat... 34 6. További Megoldásra Váró Feladatok... 37 7. Összefoglalás... 38 8. Köszönetnyilvánítás... 39 9. Irodalom... 40 3
4
1. BEVEZETÉS A kompozit olyan többfázisú műszaki célú szerkezeti anyag, amelyben nagy szilárdságú erősítőanyag alkalmazásával tervezett anizotrópiát hoznak létre a fő terhelési irányokban. Gyártástechnológiától és felhasználástól függően kompozit erősítésére többféle alapanyagú és struktúrájú erősítőanyagot használnak. A leggyakrabban alkalmazott erősítőanyagok az üveg, szén, aramid és bazalt [1]. Az ismert szálorientáció, ezáltal a kompozit termék könnyebben tervezhető deformációja miatt a leggyakrabban alkalmazott erősítőstruktúra a szövet [1]. 1. ábra Focipálya ideiglenes téli fedése sátorral A klasszikus, merev kompozit alkalmazások mellett nagy jelentősége van a hajlékony kompozit termékeknek is. Ezeket, az általában PVC-vel bevont poliészter vagy PTFE bevonatú üvegszálas kompozit ponyvákat elterjedten alkalmazzák az építőiparban könnyűszerkezetes, feszített membrán- és sátorszerkezetek (1. ábra) kialakításakor. A sátrakat már az Ókorban is használta az ember, mert a kis tömegű és könnyen szállítható elemekből egyszerűen tudott ideiglenes szállást készíteni. Ilyen korai ponyvaszerkezetek voltak a honfoglaló magyarok jurtái vagy a Római Birodalom amfiteátrumainak fedése. Ahhoz, hogy méretezhető, megbízható és időtálló sátrakat lehessen tervezni, a műanyagok megjelenéséig kellett várni. Az első mérnöki ponyvaszerkezetet 1957-ben tervezte Otto Frei egy körhinta lefedésére. Virágkorát a 70-as évek jelentették, de azóta is szép számmal 5
készülnek sportlétesítmények fedése, mellett olyan modern építészeti megoldásokra is, mint a Burzs al-arab (2. ábra) átriumának vitorla alakú borítása [2]. 2. ábra Teflonnal bevont üvegszálas ponyva építészeti alkalmazása Burzs al-arab, Dubai [3] A humán textíliák mechanikai tulajdonságairól átfogó képet adó, a kelmék fogási tulajdonságainak objektív meghatározására kifejlesztett Kawabata Kelmeelemző Rendszert (KES) az 1970-es évek óta alkalmazzák. A rendszerrel mérhetők a húzó-, nyíró-, hajlító- és nyomóigénybevétel miatt bekövetkezett alakváltozások és a kelme felületi tulajdonságai. A hajlítóvizsgálatot a rendszer négy berendezése közül a KES-FB2 végzi, a kiértékelés végén megadva a hajlítónyomatékot a görbület függvényében, a fajlagos hajlítómerevséget és a hajlító hiszterézis magasságát. A KES rendszer azonban a műszaki szövetek mechanikai tulajdonságainak meghatározására a kis mérési tartományok miatt nem, vagy csak korlátozott mértékben alkalmas [4]. Szövetek hajlítómerevségének szabványosított mérési módszere a Cantilever Test elvén működő Flexometer. A mérés során meghatározott hajlítási hosszból számítható a hajlítómerevség és a hajlító rugalmassági modulus [4],[5]. Merev és vastag erősítőanyagok vizsgálata esetén azonban a Cantilever Test is limitáltan alkalmazható [6]. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem két tanszéke, a Polimertechnika Tanszék és a Mérés, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék közösen kifejlesztett egy 6
speciális készüléket hajlékony lapszerű anyagok, pl. kompoziterősítő szövetek, ponyvák, egyéb szerkezetek hajlító tulajdonságainak vizsgálatára. A hajlítási tulajdonságok meghatározása a minta deformált alakja alapján történik. Az optikai kihajlásmérő a befogott kelmét a befogási hossz csökkentésével kihajlásra kényszeríti. A kelmére vetített vonallézerek és két fényképezőgép segítségével felvételt készítünk a kelme deformált alakjáról. A vizsgálathoz a SIOEN Industries 350 g/m², 630 g/m² és 900 g/m² területi sűrűségű ponyváit vizsgáltam. Mindhárom minta PVC-vel bevont, különböző területi sűrűségű vászonkötésű poliészter alapszövettel rendelkezik. A ponyvák hajlító tulajdonságait optikai kihajlásmérő berendezéssel határoztam meg. Annak érdekében, hogy az alapszövet tulajdonságait is megvizsgálhassam, a poliészter károsítása nélkül tetrahidrofurannal két lépésben leoldottam a PVC bevonatot. Az optikai úton meghatározott hajlítótulajdonságokat összehasonlítottam a Flexometerrel mért eredményekkel. Jelen TDK munka célja a vizsgált anyagok hajlító tulajdonságainak meghatározása mellett a mérési módszerek összehasonlítása és továbbfejlesztése. 7
2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS A következőkben bemutatom a lapszerű anyagok hajlítási tulajdonságainak meghatározására alkalmas berendezéseket és módszereket. A hajlítótulajdonságok meghatározzák a textíliák alakíthatósági képességét, esését és tartását. Minél kisebb egy szövet merevsége, annál jobb az esése, viszont minél merevebb, annál jobb a tartása. Ezeknek a tulajdonságoknak nagy jelentősége van, mind feldolgozási, mind felhasználási szempontból [4]. Gyimesi János [5] a hajlítási tulajdonságok meghatározására alkalmas módszereket két fő csoportba osztotta. Az első, ahol a próbasávra ható hajlítónyomatékot a nehézségi erő fejti ki. A második, ahol ezt a nyomatékot külső erő hozza létre. Saját súlyától lehajló, különböző szögű lejtőket érintő textilsávokra dolgozott ki számítási eljárásokat több kutató. Közülük, F.T Pierce Cantilever teszt módszerét tekintik szabványosnak [5]. Pierce 1930-as cikkében bemutatta a textilek hajlítási tulajdonságainak meghatározására alkalmas Cantilever Test módszert és az azt alkalmazó Flexometer-t. A módszer lényege, hogy a saját súlya miatt lehajló textilsáv viselkedését egy saját súlya miatt lehajló befogott gerenda (3. ábra) viselkedésével modellezte [7]. 3. ábra Saját súlya miatt lehajló befogott gerenda modellje 8
A maximális lehajlás a gerenda esetében a következő összefüggéssel írható fel: f[m] = w B l 3 8 E I 2.1. ahol E [Pa] a rugalmassági modulus, I [m 4 ] a keresztmetszet másodrendű nyomatéka, w B [N] az alátámasztáson túlnyúló próbatest súlya, l [m] a lehajlott hossz. Bilbao [6] és társai cikkükben bemutatnak egy képfeldolgozással kiegészített flexometert, amit azért tartanak fontosnak, mert a flexometeres mérés és a lineárisan rugalmas anyagmodell korlátozottan alkalmas erősítőanyagok hajlítótulajdonságainak meghatározására. A szív alakú (Heart Loop Test) hurok módszert szintén Pierce dolgozta ki, elcsavarodásra és súrlódásra hajlamos kelmék hajlítómerevségének meghatározásához. Ennek lényege, hogy mérik a 4. ábra szerint befogott kelmehurok függőleges l hosszát és a hurokképzés előtti hosszat, amiből meghatározható a lehajlási hossz [5]. 4. ábra A Pierce féle Heart Loop teszt mérési elrendezése [5] Sueo Kawabata professzor és társai a textíliák fogási tulajdonságainak objektív meghatározására kifejlesztette a Kawabata Kelmeelemző rendszert (KES). A rendszer négy különböző berendezésből áll, amelyekkel húzó és nyíró (KES-FB1), hajlító (KES- FB2), nyomó (KES-FB3) vizsgálatokat végeznek és meghatározzák a kelme felületi tulajdonságait (KES-FB4) is. Minden mérés roncsolásmentes, ugyanazt a 200 [mm] x 200 9
[mm]-es próbadarabot vizsgálja kis deformációknál. A mérés végeredménye a textíliát jellemző 16 paraméter [8]. A hajlítóvizsgálatnál (KES-FB2) a gép (5. ábra) a mintát úgy fogja be, hogy 10 mm hossz marad szabadon, ezt egy körív mentén hajlítja, aminek következtében a görbület lineárisan változik. Az egyik befogón elhelyezett nyomatékmérő cella méri a hajlítónyomatékot [8]. A hajlítást mindkét irányban elvégzik, a minta szín és fonákoldalán egyaránt. 5. ábra KES-FB2, a hajlítóvizsgálatot végző berendezés elvi vázlata (1. acélhuzal, 2. forgatónyomaték-érzékelő, 3. mintadarab, 4. mozgó befogópofa, 5. indítókar, forgattyú, 6. vezető, 7. hajlító deformáció érzékelő) [8] 10
M [cncm/cm] Dr M max 2HB DM - 2.5-1.5-1 - 0.5 0.5 1 1.5 2.5 r [1/cm] - M max 6. ábra KES-FB-vel végzett hajlításmérés eredménye [8] A felvett diagramból (6.ábra) a gép kiértékeli a B hajlítómerevséget és a 2HM hajlítási hiszterézist magasságát [8]. 11
3. VIZSGÁLT ANYAGOK A vizsgálatokhoz a SIOEN Industries 350 g/m² (BÉZS), 630 g/m² (SZÜRKE) és 900 g/m² (FEHÉR) területi sűrűségű, vászonkötésű poliészter alapszövetű, különböző területi sűrűségű PVC bevonatú ponyváit (7. ábra) használtam. 7. ábra A vizsgált ponyvák B6000 (FEHÉR) B7119 (SZÜRKE) C2357 (BÉZS) MÉRTÉKEGYSÉG Szálfinomság 1100 1100 280 dtex Területi sűrűség 900 630 350 Alapszövet területi sűrűség 260 160 85 Bevonat 640 470 265 g g g m 2 m 2 m 2 Szakítóerő Nyíróerő láncirányban 4000 2000 1100 N 50 mm vetülékirányban 3500 1500 1000 N 50 mm láncirányban 600 250 60 N vetülékirányban 600 250 30 N 1. táblázat A vizsgálat anyagok adatlapon megadott tulajdonságai 12
Az alapszövet tulajdonságainak a vizsgálatához a minták egy részéről a PVC bevonatot két lépésben tetrahidrofuranos oldással eltávolítottam. 8. ábra A minták alapszövetei (BÉZS, FEHÉR, SZÜRKE) 13
4. ALKALMAZOTT ANYAGVIZSGÁLATI ÉS KIÉRTÉKELÉSI MÓDSZEREK Ebben a fejezetben ismertetem a minták vizsgálatánál alkalmazott anyagvizsgálati módszereket. A hajlítóvizsgálatok mellett fontosnak tartottam szakító- és húzóvizsgálatok elvégzését is, mivel ezeket a ponyvákat beépítésük után elsősorban húzási igénybevétel éri. 4.1 Optikai mikroszkópos vizsgálat A kötésminta és szálminőség megállapításához Olympus BX 51M típusú optikai mikroszkóppal (9. ábra) vizsgáltam a PVC bevonat eltávolítása után a mintákat. 9. ábra Olympus BX 51M típusú optikai mikroszkóp [12] 14
4.2 Szakítóvizsgálat A rugalmassági modulus meghatározásához szakítóvizsgálatot végzetem láncirányban, vetülékirányban és átlósan (45 ) kivágott mintákon, irányonként három darab próbasávot mérve. 10. ábra Az átlós irányban kivágott BÉZS minta szakítása A minták szakítóvizsgálatát a 2. táblázatban összefoglalt beállításokkal végeztem. Vizsgálat Berendezés típusa Próbatest geometria Befogási hossz Keresztfej sebesség Szakítóvizsgálat Zwick Z020 hosszúság 300 [mm] szélesség 50 [mm] 100 [mm] 50 [mm/perc] 2. táblázat Szakítóvizsgálat beállítások A szakítóvizsgálat során felvett erő-elmozdulás görbéből húzófeszültséget és kezdeti rugalmassági modulust számoltam. 15
Szakítószilárdság σ[mpa] = F b h 3.1 ahol F [N] mért erő, b [mm] a próbatest szélesség és h [mm] a próbatest vastagsága. Kezdeti rugalmassági modulus E M [MPa] = σ 2 σ 1 ε 2 ε 1 3.2 ahol σ 1 az ε 1 = 0,05 % nyúlásértéknél mért húzófeszültség és σ 2 az ε 2 = 0,025 % nyúlásértéknél mért húzófeszültség. 4.3 Ciklikus húzóvizsgálat A szakítógéppel végzett ciklikus húzóvizsgálat célja az, hogy a KES-FB1 húzóvizsgálatához hasonló módon vizsgáljuk a próbatesteket. A mintákat szakítógéppel 24,5 N erőig terheljük, majd 0 N eléréséig tehermentesítjük. A felvett erő-elmozdulás görbéből számítom a deformációs munkát és a rugalmas visszaalakulási képességet. A vizsgálatot a 3.táblázatban összefoglalt beállításokkal végeztem. Vizsgálat Berendezés típusa Próbatest geometria Befogási hossz Keresztfej sebesség Terhelés felső határa Ciklikus húzóvizsgálat Zwick Z020 hosszúság 300 [mm] szélesség 50 [mm] 100 [mm] 10 [mm/perc] 24,5 [N] 3. táblázat Ciklikus húzóvizsgálat beállításai 16
Deformációs munka A deformációs munka, WT [J/m 2 ] a felterhelés alatti terület. A minta méretváltozási képességére utal. A nagyobb nyújthatóság nagyobb deformációs munkát eredményez. Rugalmas visszaalakulási képesség A rugalmas visszalakulási képesség, RT [%] a felterhelés és tehermentesítés közötti hiszterézis, vagyis a két görbe alatti terület különbsége. 4.4 Flexometeres hajlítóvizsgálat A flexometeres méréseket az Óbudai Egyetem Rejtő Sándor Könnyűipari és Környezetmérnöki Kar Terméktervező Intézet laborjában végeztem. Flexometerrel (11.ábra) meghatározható a lapszerű anyagok hajlítással szembeni ellenállása, amit a hajlítási hosszal jellemezhetünk. A hajlítási hossz a saját súlya alatt lehajló minta vízszintes síkon mért vetületének hossza, ami 41,5 -os lejtő esetén a lehajlott sáv hosszának fele [11]. A méréshez 200 [mm] hosszú és 20 [mm] széles próbasávokat használtam, amiket három különböző irányban, láncirányban, keresztirányban és átlósan (45 ) vágtam ki. A szabvány ajánlása szerint a próbasávok lehajlását színoldallal felfelé, a két végükön mért lehajlás átlagából határoztam meg. 11.ábra A flexometer vázlata (1-gyűrű alakú szögmérő, 2-forgatható átlátszó lap, amin az átmérővonal van, 3-vízszintes asztallap, 4-tükör, 5-mérce, 6-a próbasáv rögzítését biztosító terhelés, 7-átmérővonal) [11] 17
Hajlítási hossz C = l 2 3.3 ahol l [m] a minta lehajlott hossza. Hajlítási merevség F b [Nm] = G C 3 3.4 ahol G [N/m 2 ] egységnyi területre eső kelmesúly és C [m] a hajlítási hossz. Rugalmassági modulus E N m 2 = F b b I = F b b b v 3 12 = F b 12 v 3 ahol F b [Nm] a hajlítási merevség, b [m] a próbaság szélessége, I [m 4 ] a keresztmetszet másodrendű nyomatéka, v [m] a próbasáv vastagsága. 3.5 12. ábra A flexometer méres közben 18
A mérés menete: 1. Meg kell győződni, hogy a flexometer asztalának éle a forgatható átló középpontjába esik. A próbasávot a berendezés asztalára kell helyezi úgy, hogy a minta élei és az asztal szélei párhuzamosak legyenek, valamint a vége is egybeessen az asztal ékben végződő végével. 2. Az alulról rovátkolt mércét a próbasávra helyezzük, úgy hogy annak nulla osztása és az asztal nulla osztása egybeessen. 3. A görgős terhelést a mintán lévő mércére helyezzük. 4. A mérce segítségével a próbasávot annyira előretoljuk, hogy annak széle éppen érintse a 41,5 -os lejtőt (átmérővonalat). (12. ábra) 5. Leolvassuk a mércén az előretolt hosszt. 6. A mérést a próbasáv másik végén is elvégezzük. 19
4.5 Optikai kihajlásmérő vizsgálat 13. ábra Az optikai kihajlásmérő berendezés Az optikai kihajlásmérővel meghatározhatók a lapszerű termékek hajlítótulajdonságai a befogási hossz megrövidülésével keletkező Ω alakú felgyűrődés alakját leíró egyenlet segítségével. A berendezés a kelme deformált alakjára három lézervonalat vetít, amiről a hozzátartozó szoftver fényképet készít. Mivel a létrehozott felgyűrődés kitakarja a próbasáv és a lézervonalak egy részét, vakfoltot létrehozva, ezért a lézervonalakat két oldalról, 3-3 darab vonallézer hozza létre és a felvételeket is oldalt elhelyezett fényképezőgépek készítik [11]. A berendezéshez készített képfeldolgozó szoftver a két fényképezőgép felvételéről a lézervonalak pontjainak koordinátáit meghatározza. Ehhez kalibrálni kell a képfeldolgozó programot. Kalibráció és képfeldolgozás Mivel a vonallézerek által létrehozott három párhuzamos lézervonalat más síkban van, mint a felvételeket készítő fényképezőgépek, ezért a lézervonalak koordinátáinak meghatározásához képfeldolgozás szükséges. A C# nyelven írt képfeldolgozó programot a MOGI Tanszék oktatója, Dr. Tamás Péter készítette. A síkból-síkba történő transzformáció kölcsönösen egyértelmű hozzárendelés. A négyszögből négyszögbe vetítés lineáris perspektivikus transzformáció, amely homogén 20
koordinátákat alkalmaz. Az ehhez szükséges transzformációs mátrix nyolc független koordinátát tartalmaz az alábbiak szerint [10]: p 0 p 1 p 2 P = p 3 p 4 p 5 3.6 p 6 p 7 1 A kalibráláshoz egy 100 mm x 100 mm keresztmetszetű elemet használunk, aminek a sarokpontjaival definiáljuk a transzformációs mátrix koordinátáit. Legyenek a kalibráló elem sarokpontjainak valós koordinátái t i x, t i y, a fényképről leolvasott koordinátái pedig v i x, v i y, i = (1,2,3,4), jelölje a négy sarkot, a 14. ábra szerint [10]. 14. ábra Síkbeli perspektivikus projekció [10] A transzformáció az alábbi egyenlettel írható fel [10]: v x i v y i 1 p 0 p 1 p 2 = p 3 p 4 p 5 p 6 p 7 1 t x i t y i 1 3.7 Ebből nyolc egyenletet kapunk, amivel a nyolc ismeretlen meghatározható. A kalibrációt, vagyis a sarokpontok kiválasztását a fényképeken, mindhárom lézervonal esetén, mindkét képen el kell végezni. 21
15. ábra A képfeldolgozó program és a felgyűrődést követő lézervonalakról készült felvételek A képfeldolgozás jelenleg egy lézervonal koordinátáit képes exportálni. A mérés lépései a következők: 1. A minta feszültségmentes rögzítése a befogókkal. 2. A befogási hossz megrövidítése létrehozza a kelme Ω alakú felgyűrődését. 3. Fényképfelvétel készítése. 4. A berendezés képfeldolgozó szoftvere segítségével exportáljuk a kelmesávra vetített lézervonalakat alkotó pontok koordinátáit. 22
16. ábra Optikai kihajlásmérő mérés közben Annak érdekében, hogy a fényképeken megfelelően kontrasztosak legyenek a lézervonalak, a mérést sötét szobában kell elvégezni. Ez különösen fontos a kalibráció pontos elvégzéséhez. Lehetőség szerint a világos színű mintákat kell előnyben részesíteni. A minták befogásánál ügyelni kell arra, hogy a minta szélei a lézervonalakkal és a befogásokkal párhuzamosak legyenek. Görbeillesztés A hajlítótulajdonságok meghatározásához a képfeldolgozáskor kiexportált pontokra nyolcadfokú görbét kell illeszteni, hogy megkapjuk a felgyűrődés alakját leíró egyenletet az alábbi alakban: y = a 8 x 8 + a 7 x 7 + a 6 x 6 + a 5 x 5 + a 4 x 4 + a 3 x 3 + a 2 x 2 + a 1 x + a 0 A nyolcadfokú görbe alakja jól leírja a kelme felgyűrődésének az alakját [9]. Sajnos, a képfeldolgozás néha olyan pontokat is figyelembe vesz, amelyek nem tartoznak a lézervonalhoz. Ilyen hibás mérési pontok keletkezhetnek például a berendezés fém részein becsillanó lézerfény miatt. Ezek a kiugró pontok nagymértékben befolyásolnák az illesztett görbe együtthatóit és a további kiértékelést, ezért el kell őket távolítani. A 17. ábra pirossal jelöli a nyers mérési pontokra illesztett nyolcadfokú görbét és a zölddel a szűrt pontokra 23
illesztett görbét. Itt jól látszik, hogy a szűrt pontokra illesztett görbe sokkal jobban leírja a felgyűrődés valós alakját. 17. ábra A nyers mérési pontokra és a szűrés utáni pontokra illesztett nyolcadfokú görbék A hajlítómerevség és rugalmassági modulus meghatározása A rugalmas szál differenciálegyenlete: y (x) = M h(x) I z E 4.6 ahol M h (x) hajlítónyomatéki függvény, I z a keresztmetszet másodrendű nyomatéka, E rugalmassági modulus. 24
18. ábra A felgyűrődés mechanikai modellje A hajlítónyomatéki függvény meghatározásához a felgyűrődést úgy modellezzük (18. ábra), mint a saját súlyából származó megoszló erővel terhelt, egyensúlyban lévő rendszer. A megoszló terhelés: p N = q g b 4.8 m ahol q [kg/m 2 ] a kelme területi sűrűsége, g [m/s 2 ] a nehézségi erő, b [m] a mintasáv szélessége. A mintasáv súlya: G [N] = q g A 4.9 ahol q [kg/m 2 ] a kelme területi sűrűsége, g [m/s 2 ] a nehézségi erő, A [m] a felület. 25
A hajlítónyomatéki függvény: M h (x) = N x y(x) G 2 x + p 1 + y 2 (x) dx x x 1 + y 2 (x)dx 1 + y 2 (x)dx 4.10 ahol N x [N] élerő, G [N] a mintasáv súlya, p [N/m] a megoszló terhelés intenzitása, 1 + y 2 (x) dx ívhossz. A hajlítónyomatékot visszaírva a rugalmas szál differenciálegyenletébe és átrendezve, és kihasználva, hogy D = E I z : Dy (x) + N x y(x) 1 2 qgax + qgb 1 + y 2 (x) dx x x 1 + y 2 (x)dx = 0 4.11 1 + y 2 (x)dx 26
5. EREDMÉNYEK A kiértékeléshez szükséges számításokat minden esetben Wolfram Mathematica 9 programmal végeztem. 5.1 Optikai mikroszkópos vizsgálat Az optikai mikroszkóppal meghatározott kötésminta és szálminőség mellett a 4.táblázat tartalmazza a fonalsűrűségeket is. 19. ábra BÉZS minta a PVC bevonat eltávolítása után (nagyítás: 5x) FEHÉR SZÜRKE BÉZS MÉRTÉKEGYSÉG KÖTÉSMINTA vászon vászon vászon - FONALSŰRŰSÉG LÁNCIRÁNYBAN 62 72 152 db/100 mm VETÜLÉKIRÁNYBAN 62 62 126 db/100 mm SZÁLMINŐSÉG folytonos folytonos folytonos - ÁTLAGOS VASTAGSÁG 0,65 0,47 0,31 mm 4. táblázat A minták kötésmintája, fonalsűrűsége és szálminősége 27
5.2 Szakítóvizsgálat Ha a szakítóvizsgálat során kialakult feszültséget az alakváltozás függvényében ábrázoljuk (20. ábra) megfigyelhető, hogy a diagramok lefutása kivágási irányonként hasonló jelleget mutat. A láncirányú minták esetében a diagramok először meredeken indulnak, majd egy inflexió után laposabban folytatódnak. Vetülékirányban a görbék laposabban indulnak, meredekségük folyamatosan nő, majd nagyobb terheléseknél ismét kisebb lesz a görbe meredeksége. Ezt a jelenséget feltehetően az okozza, hogy vetülékirányú húzásnál először a szálak hullámossága egyenesedik ki [2]. 20. ábra Feszültség az alakváltozás függvényében a szakítás során 28
Ha kivágási irányonként ábrázoljuk (21. ábra) a rugalmassági modulusokat látható, hogy minden mintatípus esetén láncirányban a legnagyobbak a rugalmassági modulusok és átlós irányban a legkisebbek. Az átlósan kivágott próbasávokat összehasonlítva nincs nagy különbség a rugalmassági modulusokban, pedig az alapszövetek és a bevonatok területi sűrűségei is jelentősen különböznek. A legsűrűbben szőtt alapszövetű BÉZS minta modulusa a legnagyobb. Ez feltehetően azért van, mert átlós irányú húzásnál a nyírási tulajdonságok dominálnak inkább és a sűrűbb szövésű szövetnél a fonalak súrlódásnak is szerepe van. 21. ábra Rugalmassági modulusok kivágási irányonként csoportosítva Az 5. táblázat a rugalmassági modulus értékeket tartalmazza. 29
KIVÁGÁSI IRÁNY MINTA RUGALMASSÁGI MODULUS [MPA] ÁTLAG [MPA] SZÓRÁS [MPA] 331,301 SZÜRKE 577,014 457,146 122,965 463,123 335,946 LÁNCIRÁNY FEHÉR 352,979 356,550 22,601 380,725 370,510 BÉZS 347,434 367,091 18,189 383,329 318,715 SZÜRKE 327,338 325,378 6,375 331,161 213,994 VETÜLÉKIRÁNY FEHÉR 197,045 204,480 8,663 202,401 200,648 BÉZS 219,735 207,280 10,793 201,458 38,8899 SZÜRKE 40,5023 39,681 0,806 39,6529 37,3048 ÁTLÓS FEHÉR 38,2661 39,222 2,534 42,0963 46,9299 BÉZS 47,3802 49,078 3,339 52,9266 5. táblázat Rugalmassági modulusok a szakítás során 30
5.3 Ciklikus húzóvizsgálat A ciklikus húzóvizsgálat diagramjaiból meghatározott deformációs munka (WT) és rugalmas visszaalakulási képesség (RT) értékeket a 6. táblázat tartalmazza. KIVÁGÁSI IRÁNY MINTA WT [J] RT [J] SZÜRKE 4,52 0,56 LÁNCIRÁNY FEHÉR 3,33 0,63 BÉZS 4,61 0,51 SZÜRKE 8,60 2,72 VETÜLÉKIRÁNY FEHÉR 9,16 3,19 BÉZS 11,23 3,15 SZÜRKE 31,66 13,21 ÁTLÓS FEHÉR 25,54 11,51 BÉZS 38,10 16,90 6. táblázat A ciklikus húzóvizsgálat eredményei A 23-31. ábrák a vizsgálat során felvett erő-elmozdulás görbéket mutatják 22. ábra A ciklikus vizsgálat során felvett erő-elmozdulás görbe FEHÉR Láncirányú 31
23. ábra FEHÉR Láncirány 24. ábra FEHÉR - Keresztirány 25. ábra FEHÉR - Átlós 26. ábra SZÜRKE Láncirány 27. ábra SZÜRKE Vetülékirány 28. ábra SZÜRKE - Átlós 29. ábra BÉZS Láncirány 30. ábra BÉZS Vetülékirány 31. ábra BÉZS - Átlós A felterhelés alatti terület nagysága a minta nyújthatóságára utal. A legkevésbé a láncirányban kiszabott próbasávok nyújthatók, legnagyobb mértékben pedig az átlósan kiszabottak. Ez a várakozásoknak megfelelő, hiszen a vetülékirányú szálak hullámosan fekszenek a szövetben, amik a terhelés hatására kiegyenesednek. Az átlós szabott próbasávok húzásánál a nyíróerőnek jelentős szerepe van. A fel- és leterhelés közötti hiszterézis a rugalmas visszaalakulási képességre utal. Ez a hosszirányú minták esetén a legkisebb, hiszen ott a teljesen egyenes szálakban nincsen olyan plusz fonaltartalék, mint vetülékirányban. Az átlósan kivágott minták alakulnak vissza legkevésbé a nyújtás után, ennek oka a már említett nyírás hatása. 32
5.4 Flexometeres hajlítóvizsgálat A flexometeres mérés eredményeiből hajlítómerevséget és rugalmassági modulust számoltam. Az alábbi oszlopdiagamokon ábrázoltam a hajlítómerevségeket, ezen jól látszik, hogy a FEHÉR minták merevsége a legnagyobb minden kivágási irányban, a legkisebb pedig a BÉZS mintáké. Meg kell jegyezni, hogy a flexometeres mérésekből a szabvány szerint kiértékelt hajlítómerevségek csak kvalitatív összehasonlításra alkalmasak, mert a képlet a minta vastagságát nem veszi figyelembe, a minták vastagság viszont típusonként jelentősen eltérő. Mivel a módszer eredetileg kelmék vizsgálatára való, a berendezés mérési határa és a kialakítása is ezekhez igazodik. A legnagyobb merevségű FEHÉR minták esetében, az előretolható hossz a mérési határ közelében volt. Azt tapasztaltam, hogy mivel a vizsgált ponyvák felülete sokkal simább, mint a hagyományos textileké, a redőzött mérce esetenként nem biztosít elég súrlódást a minták előretolásánál és a minták megcsúsznak. 33
5.5 Optikai kihajlásmérő vizsgálat Az optikai kihajlásmérővel mért görbékből a 4. fejezetben leírt módon rugalmassági modulust számoltam, hogy a flexometerrel mért eredményekkel össze tudjam hasonlítani. Az eredményeket a 7. táblázat tartalmazza. FLEXOMETER KIHAJLÁSMÉRŐ KIVÁGÁSI IRÁNY MINTA LEHAJLOTT HOSSZ ÁTLAG [m] HAJLÍTÁSI MEREVSÉG ÁTLAG[Nm] SZÓRÁS [Nm] RUGALMASSÁGI MODULUS [Pa] RUGALMASSÁGI MODULUS [Pa] 0,094 SZÜRKE 0,097 6,9 10 5 2,86 10 6 7,90 10 7 6,9 10 9 LÁNCIRÁNY FEHÉR 0,096 0,119 0,119 0,118 0,068 1,94 10 4 2,43 10 6 8,33 10 7 6,5 10 8 BÉZS 0,069 1,33 10 5 1,04 10 6 5,28 10 7 1,32 10 9 0,066 0,088 SZÜRKE 0,087 5,17 10 4 1,77 10 5 5.98 10 7 3,9 10 9 VETÜLÉKIRÁNY FEHÉR BÉZS 0,088 0,125 0,105 0,100 0,069 0,067 1,14 10 3 4,49 10 5 4,97 10 7 4,80 10 7 1,39 10 4 9.21 10 6 5,60 10 7 4,02 10 9 0,070 0,069 SZÜRKE 0,067 2,46 10 5 1,67 10 6 2,78 10 7 4,17 10 8 0,068 ÁTLÓS FEHÉR 0,095 0,092 0,097 9,40 10 5 7,57 10 6 4,03 10 7 5,2 10 9 0,057 BÉZS 0,059 8,18 10 6 7,56 10 7 3,23 10 7 1,32 10 8 0,056 34
7. táblázat Flexometerrel és optikai kihajlásmérővel meghatározott hajlítórugalmassági modulusok összehasonlítása 32. ábra A kihajlásmérő által készített kép a FEHÉR láncirányú próbasávról 33. ábra A kihajlásmérő által készített kép a SZÜRKE láncirányú próbasávról 34. ábra A kihajlásmérő által készített kép a BÉZS láncirányú próbasávról 35
A 32-34. ábrák a kihajlásmérő által készített felvételeket mutatja, az azonos irányban kivágott, különböző mintákról. Az eredmények összehasonlítása alapján megállapítható, hogy az optikai kihajlásmérővel nem sikerült a flexometerrel azonos nagyságrendbe eső rugalmassági modulusokat mérni, A kihajlásmérővel mért eredmények jobban közelítik a szakítás kiértékeléséből kapott rugalmassági modulusokat, mint a flexometerrel kapottakat. Mint a flexometeres mérésnél leírtam, ponyvák vizsgálata esetén a flexometerrel nehéz pontosan mérni, az így kapott rugalmassági modulusok minden mintára és kivágási irányra közel egyforma értékűek. 36
6. TOVÁBBI MEGOLDÁSRA VÁRÓ FELADATOK A képfeldolgozó szoftver továbbfejlesztése, a kelmére vetített mindhárom lézervonal pontjainak felhasználása miatt. A kiértékelés során, a hibás mérési pontok eltávolítására használt algoritmus beépítése a képfeldolgozó programba. Burkolat készítése a berendezés köré, a méréshez szükséges megfelelő sötétség biztosítására és megfelelően beállított kamerák és lézerek védelmére. A bevonat nélküli minták hajlítóvizsgálata flexometerrel és optikai kihajlásmérővel és azok összehasonlítása a bevont minták hajlítótulajdonságaival. Az optikai kihajlásmérővel további anyagok vizsgálata. 37
7. ÖSSZEFOGLALÁS A szövetek térformára alakíthatóságát befolyásoló egyik legfontosabb tényező a hajlékonyság. A munka célja az volt, hogy a választott PVC bevonatú ponyvák hajlítási tulajdonságait két mérési módszerrel meghatározzam és ezeket az eredményeket összehasonlítsam. Az egyik alkalmazott módszer, a flexometer, ami a textíliák hajlítómerevségének szabványosított mérési módszere. A másik módszer, a Polimertechnika Tanszék és MOGI Tanszék által fejlesztett optikai kihajlásmérő berendezés. A kihajlásmérő képfeldolgozást alkalmazva rögzíti, a kelme deformált alakjának koordinátáit a rávetített lézervonalak segítségével. Ezekre a pontokra, a kiugró pontok szűrése után nyolcadfokú görbét illesztek, ezzel közelítve a valós alakját a felgyűrődésnek. Ennek a görbének az egyenletét és a mechanikai modellt felhasználva számítható a minta hajlítómerevsége. Mivel a két mérési eljárás más méretű próbatesteket igényel, ezért a rugalmassági modulusokat lehetséges csak összehasonlítani. Sikerült egy olyan kiértékelési módszert csinálni, amivel a flexometeres és optikai kihajlásmérővel meghatározott rugalmassági modulusok egy nagyságrendbe esnek. Figyelembe véve, hogy a kihajlásmérő képfeldolgozó szoftverén további fejlesztéseket kell végezni, valamint a ponyvák vizsgálata esetén a flexometerrel való mérés pontossága is korlátozott megállapítható, hogy további fejlesztések után van létjogosultsága az optikai kihajlásmérővel történő hajlékonyság meghatározásnak. Ez az újszerű módszer a jövőben, hagyományos textíliáknál nagyobb merevségű lapszerű anyagok, például kompoziterősítő anyagok hajlítótulajdonságainak meghatározására is alkalmas lehet. 38
8. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton szeretném megköszönni konzulenseimnek Dr. Halász Mariannának és Dr. Tamás Péternek a dolgozatom elkészítésében nyújtott segítségüket. Továbbá köszönöm a Polimertechnika Tanszéknek, a Mérés, Optika és Gépészeti Informatika Tanszéknek és az Óbudai Egyetem Textiltervező Intézetnek, hogy lehetőséget biztosítottak a mérések elvégzésére. 39
9. IRODALOM [1] Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimertechnika alapjai. Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2007. [2] Hegyi D.: Ponyvaszerkezetek és ponyvaanyag nemlineáris vizsgálata numerikus és kísérleti módszerekkel, PhD értekezés, 2006 [3] Burj Al Arab, http://flic.kr/p/5wzw2y (2013.10.25) [4] Al-Gaadi B.:Szőtt kompozit-erősítő szerkezetek 3D-s deformációs tulajdonságainak elemzése, PhD értekezés, 2012 [5] Gyimesi J.: Textilanyagok fizikai vizsgálata. Műszaki könyvkiadó, Budapest (1968). [6] Bilbao E. de, Soulat D., Hivet G., Launay J., Gasser A.: Bending test of composite reinforcements. International Journal of Material Forming, 1, 835-838 (2008). [7] J. Geršak: Study of the complex deformation of fabric, kézirat, 2010 [8] Molnár Ildikó: Textíliák redőződés-mérési módszereinek összehasonlítása. BME Diplomaterv, Budapest (2008) [9] Rozgonyi Zs.:Szálas anyagok anyagparamétereinek meghatározása szimuláció alapján optikai lehajlásmérő berendezéssel [10] B. Al-Gaadi, M. Halász, P. Tamás, J. Gräff, L. M. Vas, J. Molnár: Optical Measurement of Textile Bending Characteristics, Aachen-Dresden International Textile Conference, 2009 [11] Sikari B.: Szálas anyagok anyagparamétereinek meghatározása szimuláció alapján optikai kihajlásmérő berendezéssel, BME diplomamunka, 2013 [12] http://www.pt.bme.hu/ (2013.10.25) [13] MSZ 101/12-64 Szövetek hajlítással szembeni ellenállásának vizsgálat 40