Влияние тепломассообменных явлений на свойства клеевых соединений

Цель работы: изучить влияние направления подвода тепла к пакету материалов на качество получаемых клеевых швов

Клеевые методы соединения заняли прочное место в технологии швейного производства благодаря простоте, экономичности и существующему улучшению внешнего вида изделий. Однако несмотря на кажущуюся простоту данного метода, максимальный эффект от его применения может быть получен только при рациональном построении процесса, комплексном учете свойств клея и текстильных материалов. При нарушении режимов может произойти ухудшение внешнего вида изделий, а клеевое соединение не будет прочным и долговечным.

Процесс образования клеевых швов можно разделить на три стадии:

- подготовка к склеиванию;

- собственно склеивание;

- фиксация клеевого шва.

Подготовка к склеиванию заключается в активации поверхностных слоев материалов.

Вторая стадия процесса склеивания заключается в распределении клея по толщине текстильных материалов, которое зависит от тепломассообменных явлений. Направление и интенсивность перемещения расплавленного клея зависят:

- от направления подвода тепла, а именно, с какой стороны происходит подвод тепла к термоклеевому материалу (со стороны основной или прокладочной тканей);

- от технологических режимов.

Расплавленный клей может перемещаться:

- в структуру основного материала;

- в структуру прокладочного материала;

- растекаться между основными и прокладочными материалами.

В процессах склеивания, как правило, присутствует перемещение клея во всех указанных направлениях, однако в отдельных случаях некоторые направления могут иметь преимущественное значение перед другими.

В практике дублирования деталей швейных изделий встречается несколько вариантов подвода тепла к склеиваемым материалам. Наиболее распространенным являются схемы подачи тепла от рабочих органов оборудования:

- нагреваемый нижний рабочий орган подушки пресса – клей – прокладочный материал (в этом случае термоклеевой прокладочный материал находится на нижней необогреваемой подушке пресса, а на него укладывается основной материал);

- нагреваемый нижний рабочий орган подушки пресса – клей – основной материал (в этом случае вниз на необогреваемую нижнюю подушку укладывают сначала основной материал, а на него термоклеевой прокладочный материал).

С позиции тепломасообменных явлений физическое состояние гранул клея и клеевых элементарных участков в грануле будет различными. На рисунке 7 показаны положения гранулы клея между основным и прокладочным материалами в начальный момент прессования (а), в промежуточном положении (б) и в конце склеивания (в). Подвод тепла к клею осуществляется от греющей поверхности через прокладочный материал.

При подводе тепла со стороны прокладочного материала (рис. 7а) суммарный тепловой поток q_w, перемещаясь по толщине пакета, в первый момент переведет полимер текстильных волокон из застеклованного в вязкотекучее состояние за 1,5….2 с, а затем на границе раздела «клей – прокладочный материал - клей» - в вязкотекучее состояние.

Величина теплового потока q_w будет определяться по формуле (2):

q_w = _λ (t­_c1­ - t­_c2), (2)

где, λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м;

t­_c1­, t­_c2 – температура на поверхности прокладочного материала в начальный момент времени, °С;

δ2

а

dU/dx

в

	t­c1­ – температура на обогреваемой поверхности прокладочного материала; t­c2 - температура на не обогреваемой поверхности прокладочного материала; r0 – элементарный участок клея, контактирующий с прокладочным материалом; r1 – элементарный участок клея, контактирующий с прокладочным материалом; δ1 – толщина прокладочной ткани; δ2 – толщина основной ткани.
		Рисунок 7 – Плавление гранулы клея при подводе тепла со стороны прокладочного материла

t­c1

t­c2

dU/dx

dT/dx

r1

		б

	l1 – длина зоны адгезионного контакта прокладочного и основного материала

δ – толщина обрабатываемого пакета, которая в местах наличия клеевого участка будет составлять (3):

δ = δ₁ + δ₂ + δ_кл , (3)

где, δ₁ – толщина прокладочной ткани, м;

δ₂ – толщина основной ткани, м;

δ_кл – вертикальный размер частицы или пленки клея, м.

Тепловой поток q_w , направленный от греющей поверхности рабочего органа (подушки пресса), пройдя через прокладочный материал, встречает на своем пути элементарный клеевой участок r_о. Объемная температуропроводность клея на порядок меньше объемной температуропроводности увлажненного текстильного материала, поэтому по всей площади дублируемого пакета в соответствии с топографией размещения гранул клея будут иметь место микромостики с уменьшенным значением изохорной температуропроводности a_v (4):

, (4)

где, λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м;

– теплоемкость при постоянном объеме, кДж/кг;

γ – удельный вес субстратов, составляющих клеевое соединение, кг/м³.

При наличии стационарного теплового процесса скорость изменения температуры dT/dτ с учетом пространственного распределения температуры в материалах можно определить по формуле (5):

dT/dτ = a_v d²T/dx² (5)

Таким образом, через единицу площади поверхности в слое единичной толщины при единичной разности температур на обогреваемой m и не обогреваемой r_{1 ­}поверхностях гранул клея будет и различная величина коэффициента диффузии, (т.е. происходит изменение температуры единицы объема).

Результатом такой разницы будет замедленный перевод из стеклообразного в вязкотекучее состояние элементарного клеевого участка r₁, контактирующего с основной тканью. Элементарный клеевой участок греющей поверхности, контактируя с тканью верха, будет находиться в высокоэластичном состоянии и будет отставать по скорости нагревания от противоположного участка r₀, ранее перешедшего в вязкотекучее состояние. При одновременном воздействии температуры, давления, влажности клей начинает растекаться по поверхности прокладочного материала, не проникая в структуру основной ткани (рис. 7б).

В этом положении перенос клея в структуру основной ткани под действием градиента температуры dT/dx практически невозможен, так как вершина клеевой композиции r₁ еще находится в высокоэластичной фазе и препятствует движению остальной массы в толщину основной ткани в вязкотекучем состоянии. Градиент влагосодержания dU/dx при переходе клея будет способствовать ее перемещению в сторону греющей поверхности, т.е. в сторону прокладочного материала. Градиент достигает величины около 15 мН/м² и превышает силы поверхностного натяжения между поверхностью текстильных волокон и клеем. В результате его действия наблюдается не только перенос клея, но и прохождение его на лицевую поверхность прокладочного материала с последующим наложением клея на греющую поверхность подушки пресса.

На рисунке 8 показаны положения гранулы клея между основным и прокладочным материалом в начальный момент прессования (а), промежуточное положение (б) и в конце склеивания (в). Подвод тепла осуществляется со стороны основного материала.

Направленный тепловой поток q_w (рис. 8а) в первую очередь переведет в вязкотекущее состояние верхние участки клея r₁, контактирующие с основной тканью. В этом случае перемещение клеевой композиции в сторону прокладочной ткани под действием градиента температуры dT/dx осуществляться не будет, так как еще будет находиться в высокоэластичном состоянии участок r₀ . Другая противоположная сторона гранулы клея r₀ при быстром прогреве перейдет в вязкотекучее состояние, но с некоторым запаздываением,

dU/dx

t­c1­ – температура на обогреваемой поверхности основного материала; t­c2 - температура на не обогреваемой поверхности прокладочного материала; r0 – элементарный участок клея, контактирующий с прокладочным материалом; r1 – элементарный участок клея, контактирующий с прокладочным материалом; δ1 – толщина прокладочной ткани; δ2 – толщина основной ткани.

dU/dx

	Рисунок 8 – Плавление гранулы клея при подводе тепла со стороны основного материла

		а

	t­c2

	r1

равным, как минимум, величине динамической методической ошибки, определяемой по формуле (6):

Т_з = Т_с (1 – е^-r/Т), (6)

где Т_з – температура, показываемая термометром, град;

Т_с – действительная температура среды, град;

r – продолжительность нагрева, с;

Т - инерционность теплоприемника, с.

Поскольку тепловое сопротивление клея значительное по сравнению с текстильным материалом, то и переход его в вязкотекущее состояние будет медленнее. Разность температур на границе раздела прокладочная ткань – клей и клей – основная ткань, определяемая по формуле (7):

Δ T = Т_с - Т_з = - (Т_з – Т_o ), (7)

указывает на величину равности коэффициентов поверхностного натяжения σ₂ и σ₃ на этой границе.

Правильность представленной теоретической модели переноса клея по толщине склеиваемых материалов за счет тепломасообменных явлений подтверждаются тем, что прочность клеевых соединений, выполненных с отводом тепла со стороны основной ткани, на 8….10% выше прочности удельных соединений, при получении которых подвод тепла осуществляется со стороны прокладочной ткани.

Сравнивая топографию распределения гранулы клея между прокладочной и основной тканями, сформованными при равноценных режимах теплового воздействия (T, U, p, τ), но при разных направлениях подвода тепла, можно отметить, что они отличаются не только по площади растекания, но и по количеству переместившейся массы в толщину материалов.

Из рисунка 8в видно, что клей растекается по площади прокладки и только 1/3 – 1/2 его количества закрепилось в пористой структуре основной ткани.

Другая картина распределения клея наблюдается на рисунке 8в, где растекание клея по поверхности прокладочной ткани практически отсутствует, а большая его часть перемещается в пористую структуру основной ткани.

Таким образом, при клеевых способах соединения большое значение имеет направление подвода тепла к поверхности склеиваемых материалов, изменяя которое можно регулировать прочность получаемых клеевых соединений.

На выбор схемы подвода тепла в первую очередь оказывает влияние толщина основного материала. Для толстых основных материалов, например драпа, пальтовых тканей, схема на рис. 8 неприемлема из-за большой вероятности тепловой деструкции основного материала. Однако для тонких основных материалов (сорочечных, платьевых и т.п. материалов), теплозащитные свойства которых сопоставимы с теплозащитными свойствами прокладочных материалов, данная схема обеспечивает получение прочных клеевых соединений.

При использовании прессов периодического действия наиболее часто применяется схема, представленная на рисунке 7. В современном оборудовании непрерывного действия, как правило, используются обе схемы подвода тепла.

Задание

1. Провести дублирование исследуемых образцов текстильных материалов с подводом тепла со стороны основного и прокладочного материалов.

2. Измерить нагрузку на расслаивание пакета склеенных материалов.

3. Описать и зарисовать вид разрушения клеевых соединений.

4. Результаты представить в виде таблицы 6.

5. Полученные результаты обобщают в виде выводов.

Таблица 6 – Результаты прочности клеевых соединений на расслаивание

Исследуемый параметр	Разрывное усилие на расслаивание Р, Н	Разрывное напряжение , Н/см	Примечание (характер разрушений)

Вопросы для самопроверки

1. С какой целью применяется процесс дублирования?

2. Для каких текстильных материалов целесообразно использовать дублирование?

3. Каков механизм образования клеевых соединений?

4. Из каких стадий складывается процесс клеевого соединения деталей изделий?

5. Какие факторы влияют на свойства клеевых соединений?

6. От чего зависит распределение клея по толщине текстильных материалов?

7. В каком направлении перемещается клей при подводе тепла со стороны прокладочного материала и со стороны основного материала?

8. В каком случае невозможно перемещение клея в структуру основного материала под действием градиента температуры?

Лабораторная работа 5