CAPITOLUL VI PROPRIETĂŢI MECANICE

Transcript

1 Proprietăţi mecanice 129 CAPITOLUL VI PROPRIETĂŢI MECANICE Una din condiţiile de bază cerute fibrelor textile este de a prezenta o rezistenţă mecanică suficient de mare, care să permită transformarea lor în produse textile şi totodată să confere durabilitate produselor finite. În timpul prelucrării fibrele sunt supuse la diferite solicitări mecanice, care nu se pot evita, dar a căror mărimi se pot controla prin reglarea corespunzătoare a parametrilor de lucru (viteze, ecartamente, forţe de apăsare pe cilindrii trenului de laminat etc.). De fapt, valorile parametrilor de lucru ai operaţiilor din filatură se adoptă astfel încât să se obţină semifabricate uniforme la producţii cât mai mari, care să asigure o cât mai bună conservare a proprietăţilor fibrelor. VI.1. SOLICITAREA DE TRACŢIUNE Solicitarea cea mai frecventă la care sunt supuse fibre în timpul prelucrării acestora, precum şi în timpul utilizării produselor finite este cea de tracţiune. Solicitarea de tracţiune provoacă întotdeauna o deformaţie pe direcţia de solicitare. Forţele de tracţiune la care sunt supuse fibrele în timpul prelucrării, sau utilizării sunt, de cele mai multe ori mai mici decât cele de rupere, dar pot provoca deformaţii ireversibile pronunţate. Asemenea deformaţii apar chiar după o primă solicitare, sau mai ales după solicitări repetate. În ambele cazuri mărimea lor este dependentă de timpul solicitării. Fiecare tip de fibră se caracterizează printr-un anumit mod de comportare la tracţiune, care trebuie cunoascut foarte bine pentru nu distruge parţial sau chiar total fibrele înainte de a le introduce în structura produsului finit. De asemenea, cunoşterea tuturor aspectelor cu privire la comportarea la tracţiune a fibrelor permite stabilirea celui mai adecvat amestec fibros, care să confere produsului finit proprietăţile impuse de domeniul de utilizare al produsului.

2 130 Fibre textile VI.1.1. Rezistenţa şi deformaţia la rupere. Mărimi şi indici de apreciere Deşi nu există o corelaţie general valabilă între rezistenţa de rupere la tracţiune şi celelalte caracteristici prin care se apreciază comportarea la tracţiune a fibrelor, rezistenţa şi alungirea la rupere sunt şi vor rămâne indicatorii de bază pentru aprecierea calităţii fibrelor. VI Rezistenţa la rupere În timpul solicitării la tracţiune fibrele opun o rezistenţă a cărei valoare maximă se înregistrează în momentul ruperii. Rezistenţa la rupere se apreciază prin mărimea forţei de rupere, sau prin indici specifici, respectiv prin rezistenţă specifică, tenacitate sau lungime de rupere. La fibrele de aceeaşi natură şi cu aceeaşi structură, mărimea forţei de rupere este dependentă de grosimea fibrei. Valorile indicilor specifici nu depind de grosimea fibrelor analizate, deci utilizarea lor face posibilă compararea rezistenţei la tracţiune a fibrelor care nu sunt de aceleaşi grosimi. Forţa de rupere (F r ) reprezintă mărimea forţei de tracţiune, care aplicată axial fibrei provoacă ruperea acesteia; forţa de rupere se exprimă în cn/fibră, iar mărimea ei este dependentă de grosimea fibrei. Rezistenţa specifică (σ A ) reprezintă raportul dintre forţa de rupere (F r ) a unei fibre şi aria secţiuni transversale (A) a fibrei considerate: F r σ A = A (cn/mm2 ) Acest indicator este rar utilizat pentru aprecierea rezistenţei la tracţiune a fibrelor, sau firelor textile datorită neuniformităţii mărimii şi formei secţiunii transverale, cât şi datorită metodelor anevoioase de determinare a ariei secţiunii transversale. Dar, aria secţiunii transversale a unei fibre este direct proporţională cu densitatea de lungime a acesteia. Din motivele expuse, în industria textilă, în loc de rezistenţă specifică se utilizează frecvent tenacitatea şi lungimea de rupere.

3 Proprietăţi mecanice 131 Tenacitatea (σ) reprezintă raportul dintre forţa de rupere (F r ) şi densitatea de lungime exprimată în tex (T tex ), sau denier (T den ): = F r σ tex (cn/tex), respectiv Ttex F r σ den = (cn/den) Tden Între σ A, σ tex şi σ den, se pot stabili relaţii de conversie. Astfel, înlocuind în relaţia de definiţie a tenacităţii densitatea de lungime (T tex ) cu expresia acesteia în funcţie aria secţiunii transversale (A) şi densitate (ρ): T tex 2 = 1000 A( mm ) ρ( g / cm ), rezultă: 3 σ tex Fr ( cn ) Fr ( cn ) = = 2 T 1000 A( mm ) ρ( g / cm tex Fr ( dan ) = 2 A( mm ) ρ( g / cm 2 σ A( dan / mm = 3 ) ρ( g / cm ) 2 ) 3 = ) Deci: σ tex = σ A ρ unde: σ tex tenacitatea exprimată în cn/tex; σ A rezistenţa specifică, dan/mm 2 ; ρ densitatea, g/cm 3. De asemenea, cunoscându-se relaţia dintre densitatea de lungime exprimată în tex, şi respectiv cea exprimată în denier: T = 9, se obţine : den T tex σ σ den = 9 tex Lungimea de rupere (L R ) este definită ca lungimea ipotetică de fibră care provoacă ruperea acesteia sub acţiunea propriei greutăţi. Acest indicator se calculează cu relaţia: L R Nm Fr = (km), 1000

4 132 Fibre textile în care: Nm fineţea fibrei; F r forţa de rupere, cn. Pentru a demonstra această relaţie de calcul, se consideră o fibră de fineţe Nm şi lungime L care se rupe sub acţiunea propriei greutăţi. În acest caz, asupra fibrei a acţionat o forţă de rupere a cărei valoare exprimată în cn este numeric egală cu masa în grame a fibrei de lungimii L. Deci, lungimea L reprezintă lungimea de rupere L R a fibrei considerate, iar valoarea masei indică valoarea forţei de rupere: L( m) L ( m) R M ( g) F ( cn ) r Plecând de la relaţia de definiţie a numărului metric (Nm) şi înlocuind masa şi lungimea cu expresiile lor echivalente, se obţine: de unde rezultă că: Nm = L( m) = M ( g) LR ( m) F ( cn ) r L ( m) = Nm F ( cn ), sau R Nm Fr ( cn ) LR ( km) = 1000 r 1000 Deoarece T tex =, rezultă că lungimea de rupere Nm exprimată în km este egală numeric cu tenacitatea exprimată în cn/tex.

5 Proprietăţi mecanice 133 VI Alungirea la rupere Orice corp sub acţiunea unei forţe de tracţiune, suficient de mare, se deformează, în sensul măririi dimensiunii pe direcţia de acţiune a forţei. Fenomenul este cunoscut sub denumirea de alungire. Dacă o fibră (fig. VI.1), de lungime iniţială l 0 este solicitată pe direcţia axei cu o forţă de tracţiune F mai mică decât cea de rupere F r, atunci ea se deformează longitudinal, lungimea ei devenind l 1. l 0 l 1 Fig. VI.1. Reprezentarea schematică a deformaţiei unei fibre sub acţiunea unei forţe de F<F r Deformaţia longitudinală, sau alungirea se poate aprecia prin alungire absolută, alungire specifică şi prin alungire relativă. Alungirea absolută (Δl) reprezintă diferenţa dintre lungimea fibrei deformate (l 1 ) şi lungimea iniţială a fibrei (l 0 ): Δ l = l 1 l 0 (mm) Alungirea specifică (ε ), mărime adimensională reprezintă raportul dintre alungirea absolută (Δl) şi lungimea iniţială a fibrei (l 0 ):, Δl l1 l0 ε = = l0 l0 Alungirea relativă (ε) reprezintă creşterea lungimii (Δl) exprimată în procente faţă de lungimea iniţială (l 0 ): Δl l1 l0 ε = 100 = 100 (%) l l 0 0

6 134 Fibre textile Dacă forţa deformatoare este cel puţin egală cu forţa de rupere, atunci deformaţia care se înregistrează în momentul ruperii poartă denumirea de alungire la rupere. Alungirea la rupere se apreciază prin aceeaşi indicatori şi se calculează cu relaţii similare celor prezentate anterior: Δ l = l (mm) r r, Δlr ε r = l 0 l 0 lr l0 = l 0 Δlr lr l0 ε r = 100 = 100 (%) l0 l0 în care: Δl r, alungirea absolută la rupere, ε r alungirea specifică la rupere ε r alungirea relativă la rupere; l r lungimea fibrei în momentul ruperii. Forţa de rupere şi alungirea la rupere se determină simultan cu ajutorul aparatelor de încercat la tracţiune, denumite dinamometre. VI.1.2. Diagrama efort-deformaţie Valorile forţei de rupere şi a sarcinii de rupere nu reflectă în totalitate modul de comportare al fibrelor la solicitări de tracţiune. Pentru o caracterizare cât mai completă se apelează la diagrame efortdeformaţie. Încercarea la tracţiune se realizează practic asupra unei anumite lungimi de fibră, lungime cuprinsă între clemele de fixare a fibrelor, cu care sunt dotate dinamometrele. Prin deplasarea uneia din cele două cleme, fibra se deformează şi totodată se opune deformaţiei cu o forţă crescătoare, a cărei valoare maximă se înregistrează în momentul ruperii. În timpul solicitării, variaţia forţei în funcţie de deformaţie poate fi redată grafic, sub forma unei curbe, folosindu-se în acest scop dinamometre echipate cu dispozitive de înregistrare. Graficele astfel obţinute poartă denumirea de diagrame efortdeformaţie, sau curbe sarcină-alungire.

7 Proprietăţi mecanice 135 Fig. VI.2 Diagrama efort- deformaţie De regulă, o diagramă efort-deformaţie (fig.vi.2) este înscrisă în coordonate rectangulare, în abscisă fiind indicate valorile alungirii absolute, iar în ordonată valorile forţei. Aşa după cum rezultă din figura VI.2, dacă se cunoaşte lungimea iniţială a probei (distanţa dintre clemele dinamometrului) şi dimensiunea transversală a fibrei (densitatea de lungime, sau aria secţiunii transversale) atunci curbele pot fi transpuse în alte coordonate. La marea majoritate a fibrelor curbele efort deformaţie prezintă o variaţie neliniară, iar forma lor fiind specifică fiecărui tip de fibră. Spre exemplificare în figura VI.3 sunt redate diagramele efort deformaţie ale principalelor fibre textile. Fig. VI.3 Diagrame efort-deformaţie ale principalelor fibre textile

8 136 Fibre textile Din diagramele efort-deformaţie se poate determina valoarea forţei şi alungirii la rupere, dar mai important este faptul că în baza lor se poate evidenţia comportarea fibrelor atunci când sunt solicitate la tracţiune cu forţe mai mici decât cele de rupere. Principalele caracteristici care se pot determina cu ajutorul diagramei efort-deformaţie sunt: limitele şi zonele specifice, respectiv de proporţionalitate, de elasticitate, de curgere şi de rupere; lucrul mecanic de rupere, precum şi lucrul mecanic specific; factorul lucrului de rupere; modulul de elasticitate. VI Zone şi limite specifice ale diagramelor Într-o diagramă efort-alungire, de formă neliniară (fig.vi.4), se evidenţiază următoarele puncte şi zone caracteristice: limita de proporţionalitate, punctul P (de coordonate F p,ε p ); limita de elasticitate, punctul E (de coordonate F e,ε e ); limita de curgere, punctul C (de coordonate F c, ε c ); limita de rupere, punctul R (de coordonate F r, ε r ); zona hookiană (dreapta OP), delimitată de origine şi limita de proporţionalitate P, zonă caracterizată prin dependenţa liniară dintre forţă şi deformaţie; zona de elasticitate (zona I), în care este inclusă şi zona hookiană şi care se manifestă până în punctul E, numit limită de elasticitate; în această zona predomină deformaţiile elastice; zona de fluaj (zona II), cuprinsă între limita de elasticitate E şi limita de curgere C, este zona de curgere în care la creşteri relativ mici ale efortului se înregistrează creşteri apreciabile ale deformaţiei; la unele fibre această zonă se finalizează cu ruperea fibrei; zona de rupere (zona III), cuprinsă între punctele C şi R (se manifestă numai la unele fibre, cum ar fi fibrele poliesterice, poliamidice etc.), este zonă în care are loc distrucţia macroscopică a fibrei, marcată de limita de rupere R.

9 Proprietăţi mecanice 137 Fig. VI.4. Diagrama efort-deformaţie. Limite şi zone speficice Poziţia în diagramă a punctelor P, E, şi C se determină prin metode grafice. Limita de proporţionalitate (punctul P) corespunde punctului de tangenţă al diagramei cu dreapta ce trece prin origine şi a cărei direcţie coincide cu direcţia primei părţi a diagramei. Poziţia limitelor de elasticitate şi de curgere se pot stabili prin metodele grafice Meredith sau Coplan (fig. VI.5). a b Fig.VI. 5. Metode grafice de determinare a poziţiei limitelor a metoda Meredith; b metoda Coplan Conform metodei Meredith (fig. VI.5 a), aceste puncte corespund punctelor de tangenţă ale diagramei cu dreptele paralele cu dreapta ce uneşte originea cu punctul de rupere.

10 138 Fibre textile Conform metodei Coplan (fig. VI.5 b), punctele E şi C corespund intersecţiei dintre diagramă şi bisectoarele unghiurilor formate de dreptele trasate pe direcţia celor trei zone specifice. VI Lucru mecanic de rupere Lucru mecanic de rupere reprezintă lucru mecanic consumat pentru deformarea fibrei până la rupere. Grafic, lucru mecanic de rupere (L) este echivalent cu suprafaţa delimitată de curbă, abscisă şi paralela la ordonată dusă din punctul de rupere (fig. VI.6). Lucru mecanic elementar (dl) consumat pentru deformarea fibrei cu o deformaţie elementară (dδl) este dat de relaţia: dl = F dδl, iar lucru mecanic de rupere de relaţia: L Δl Δ = r l r dl = F dδl 0 0 (cn.cm; cn.mm) Fig. VI.6. Reprezentarea grafică a lucrului mecanic de rupere Din punct de vedere matematic, pentru a calcula valoarea lucrului de rupere ar trebui să se cunoască ecuaţia curbei şf = f(δl) ţ. Această metodă nu se aplică, deoarece pentru fiecare fibră testată se obţine câte o curbă, iar metoda în sine este foarte anevoiasă.

11 Proprietăţi mecanice 139 Lucru mecanic de rupere fiind echivalent cu aria suprafeţei de sub curbă, valoarea lui se determină prin determinarea ariei respective. În acest scop se poate aplica metoda gravimetrică (desenarea suprafeţei date precum şi a unei suprafeţe de referinţă pe o hârtie omogenă, stabilirea constantei gravimetrice a hârtiei, decuparea şi stabilirea masei desenului corespunzător suprafeţei necunoscute şi în final calcularea ariei acesteia), sau metoda planimetrării. Valoarea lucrului mecanic de rupere depinde de grosimea fibrei (prin valoarea forţei) şi de lungimea iniţială a probei (prin valoarea alungirii absolute). Pentru a compara valorile obţinute pentru fibre de diferite grosimi şi testate cu diferite distanţe între clemele dinamometrului este necesar să se determine lucru specific de rupere. Lucru specific de rupere este definit ca lucru mecanic consumat pentru ruperea unei fibre de lungime şi de densitate de lungime egală cu unitatea. Lucru specific de rupere (L s ) se calculează cu relaţia: L s L = (cn/tex; cn/dtex; cn/den) T l în care: L lucru mecanci de rupere, cn.cm; l lungimea iniţială a probei, cm; T densitatea de lungime, tex, dtex, sau den. VI Factorul lucrului de rupere Factorul lucrului de rupere (f) este definit prin raportul dintre lucrul mecanic (L) consumat pentru rupere fibrei şi produsul dintre valoarea forţei (F r ) şi alungirii absolute corespunzătoare limitei de rupere (Δl r ), produs care reprezintă lucrul mecanic teoretic: L f = F r Δl r Deoarece valorile lucrului mecanic real şi respectiv a lucrului mecanic teoretic sunt proporţionale cu suprafeţele ORΔl r şi OF r RΔl r (fig. VI.7), valoarea factorului se poate calcula ca raport al ariilor suprafeţelor menţionate.

12 140 Fibre textile Fig. VI.7. Reprezentarea grafică a lucrului mecanic real (L) şi a lucrului teoretic (F r.δl r ) Mai simplu, prin aplicarea metodei gravimetrice, factorul lucrului mecanic se poate calcula ca raport al maselor hârtiei omogene pe care s-au efectuat desenele: f L = F Δl r r ariaorδlr = ariaof RΔl r r M = M 1 2 în care: M 1 masa hârtiei corespunzătoare ariei ORΔl r ; M 2 masa hârtiei corespunzătoare ariei OF r RΔl r. Prin aplicarea metodei gravimetrice valoarea factorului de rupere se determină foarte repede şi precis, fără a fi necesară în acest scop o dotare specială. Iar, dacă se cunoaşte valoarea factorului de rupere atunci se simplică foarte mult calculul lucrului mecanic de rupere. În acest caz valoarea lucrului mecanic de rupere (L) se determină aplicând relaţia: L = f F r Δl r (cn.cm) în care: f factorul de rupere; F r forţa de rupere, cn; Δ r l alungirea la rupere, cm. Factorul lucrului de rupere este o mărime adimensională, care indică capacitatea de deformare a unei fibre.

13 Proprietăţi mecanice 141 Se consideră trei fibre care nu se deosebesc prin valorile forţelor şi alungirilor la rupere, dar a căror aliură a diagramelor este diferită (fig. VI.8). Fig. VI.8. Factorul lucrului de rupere 1, 2, 3 diagrame F-Δl pentru trei tipuri de fibre cu valori diferite a factorului lucrului de rupere Diagrama fibrei 2 este o linie dreaptă, diagrama fibrei 1 este plasată deasupra linie drepte, iar diagrama fibrei 3 este plasată sub linia dreaptă. Deşi cele trei fibre nu se deosebesc prin proprietăţile tensionale de rupere, este clar că ele se vor comporta diferit atunci când vor fi solicitate cu forţe mai mici decât cele de distrugere. Astfel, supuse la aceeaşi forţă de tracţiune F 1 ele suferă alungiri diferite, cel mai mult se deformează fibra 3. Este posibil ca deformaţia acestei fibre să se plaseze în domeniul deformaţiilor plastice, în timp ce deformaţia fibrei 1 să corespundă domeniului elastic. Comportarea diferită a celor trei fibre poate fi pusă în evidenţă prin factorul lucrului de rupere, a căror valori se deduc din reprezentarea schematică din figura 8 şi anume: pentru fibra 2, f = 0,5 pentru finbra 1, f > 0,5; pentru fibra 3, f < 0,5 În practică se preferă fibre care suferă deformaţii mici la eforturi relativ mari, deci cele care se caracterizează prin valori mari ale factorului lucrului de rupere.

14 142 Fibre textile VI Modulul de elasticitate longitudinal Modulul de elasticitate, sau modulul Young, este o caracteristică de material. Conform legii Hooke deformaţia specifică a unui corp elastic este proporţională cu rezistenţa (forţa) specifică, factorul de proporţionalitate fiind inversul modulului de elasticitate: în care: Δl l = ε Δl 1 = l E F A, sau σ ε = A E deformaţia specifică; E modulul de elasticitate; F = σ A forţa specifică; A A aria secţiunii transversale. Deoarece grosimea fibrelor şi firelor textile rareori se apreciază prin aria secţiunii transversale, în acest scop folosindu-se cel mai adesea densitatea de lungime, pentru produsele menţionate legea lui Hooke este de forma: de unde rezultă că: σ ε = tex, sau E σ ε = den E σ E = tex (cn/tex), sau ε σ den E = (cn/den) ε în care: σ tex tenacitatea exprimată în cn/tex, σ den tenacitatea exprimată în cn/den; ε deformaţia specifică, mărime adimensională. În cazul solicitării la tracţiune a fibrelor această lege se respectă numai pentru forţe mici de solicitare, respectiv până la limita de proporţionalitate, zonă în care diagrama este o linie dreaptă (fig.vi.9).

15 Proprietăţi mecanice 143 Fig. VI.9. Reprezentarea schematică a determinării modulului de elasticitate Pentru a calcula valoarea modulului de elasticitate a unei fibre este necesar să se traseze diagrama efort-deformaţie şi să se determine valorile deformaţiei şi a efortului pentru un punct din zona de proporţionalitate a diagramei. Pentru diagrama prezentată în figura VI.9 modulul de elasticitate se calculează cu relaţia: σ 1 E = ε Pentru unele fibre zona de proporţionalitate este mică comparativ cu celelalte zone, din care cauză se introduc erori la citirea direct din diagramă a valorilor σ 1 şi ε 1. Pentru a evita introducerea erorilor şi a uşura determinările practice se apelează la o altă definiţie a modulului de elasticitate al fibrelor. Astfel, dacă se consideră că ε 1 = 1, adică Δl = l, deci fibra a suferit o deformaţie de 100 %, atunci E = σ 1. În acest caz modulul de elasticitate poate fi definit ca fiind valoarea efortului care provoacă o deformaţie egală cu lungimea iniţială a probei, cu condiţia ca deformaţia să fie proporţională cu efortul. În baza acestei definiţii, valoarea modulului de elasticitate se poate determina prin prelungirea liniei de porporţionalitate a diagramei şi citirea efortului de pe această linie care corespunde 1

16 144 Fibre textile deformaţiei de 100 %. Şi această metodă grafică este greu de aplicat practic din care cauză cel mai frecvent se determină efortul corespunzător deformaţiei de 1%, 10% sau pentru alte valori, multiplicându-se corespunzător valoarea obţinută. Concret, după cum rezultă din exemplu prezentat în figura VI.9, după stabilirea valorii efortului corespunzător deformaţiei de 10 %, modulul de elasticitate se calculează cu relaţia: E = σ ( ε = 10%) 10 Fig. VI.10. Reprezentarea schematică a determinării modulului de elasticitate Dacă diagrama (fig. VI.10) este prezentată în coordonate F (forţă, în cn) şi Δl (alungire absolută, în mm) şi se cunosc lungimea iniţială a probei (l, în mm ) precum şi densitatea de lungime a fibrei (titlul T în tex, dtex sau denier), sau aria secţiunii transversale a acesteia (A, în mm 2 ), atunci pentru calculul modulului de elasticitate se pot aplica relaţiile: F1 l E = (cn/mm 2 ), sau A Δl 1 E tex F l T Δl 1 = (cn/tex; cn/dtex; cn/den) 1 în care F 1, Δ 1 reprezintă forţa, respectiv alungirea absolută corespunzătoare unui punct din zona de proporţionalitate a diagramei.

17 Proprietăţi mecanice 145 Ca şi în exemplul precedent, mai comod este să se stabilească valoarea forţei corespunzătoare deformaţiei de 10 % (F (ε=10 %) ) şi să se calculeze modulul de elasticitate cu una din relaţiile: E tex F = T ( ε = 10%) 10 (cn/tex; cn/dtex; cn/den) F E = ( ε = 10%) A 10 (cn/mm 2 ) VI.1.3. Metode şi aparate pentru determinarea proprietăţilor tensionale Pentru determinarea proprietăţilor tensionale ale fibrelor se folosesc două metode: metoda fibrei individuale, metodă care presupune solicitarea la tracţiune a unei singure fibre; metoda în fascicul, metodă care presupune solicitarea la tracţiune a unui mănunchi de fibre, special pregătit. Prima metodă, metoda solicitării fibrei individuale este o metodă precisă, reproductibilă, oferă posibilitatea înregistrării diagramei efort-deformaţie, dar nu este operativă. Metoda presupune efectuarea unui număr mare de încercări. Metoda în fascicul se caracterizează prin operativitate mai mare, dar prezintă dezavantajul că se introduc erori datorită ruperii nesimultane a fibrelor. Aparatele destinate încercărilor de tracţiune poartă denumirea de dinamometre şi sunt astfel concepute încât să deservească o anumită metodă. Unele, în special cele pentru solicitarea fibrelor în formă de fascicul sunt destinate unui anumit tip de fibră. La toate aparatele încercările trebuie să se efectueze prin respectarea normelor metrologice şi a recomandărilor indicate de către constructorul aparatului.

18 146 Fibre textile Dinamometrul cu pendul Există foarte multe tipuri constructive de aparate de încercat la tracţiune care funcţionează pe principiul pendului. Ele pot fi destinate solicitării fibrei individuale sau solicitării în fascicul. La aparatele destinate solicitării fibrei individuale se pot înregistra diagrame efort-deformaţie pe baza cărora se pot calcula parametri de deformabilitate. Dinamometrele cu pendul prezintă dezavatajul că se introduc erori datorită inerţiei pendulului. Schema de principiu a unui asemenea aparat este prezentată în figura VI.11. Fig. VI.11. Schema de principiu a dinamometrului cu pendul 1, 2 cleme; 3 sistem de acţionare a clemei; 4 proba; 5 ac indicator; 6 greutate; 7 pendul; 8 punct de oscilaţie; 9 scala forţelor. Proba 4, pretensionată în prealabil, se fixează între clemele 1 şi 2 ale aparatului. Clema 2, acţionată de sistemul 3, coboară şi supune proba la o solicitare de tracţiune cu o forţă F, care prin intermediul clemei 1 determină rotirea pendului 7 în jurul articulaţiei fixe 8. Prin această rotire, braţul x al forţei G (greutatea ataşată la pendul) creşte continuu, ceea ce determină creşterea continuă a forţei de tracţiune F la care este supusă proba. Proba se opune solicitării cu propria ei rezistentă, de aceeaşi valoare cu forţa F, dar de sens contrar. Valoarea forţei F care se înregistrează în momentul ruperii reprezintă forţa de rupere F r a probei. Valoarea ei este indicată de acul indicator 5 pe scala gradată 9.

19 Proprietăţi mecanice 147 Dacă se consideră că proba s-a rupt după rotirea pendulului cu unghiul ϕ faţă de poziţia iniţială, atunci se poate scrie: rezultă: F r b = G x, dar x = a sinϕ, F r G a sinϕ = b Deoarece, pentru un anumit aparat, dimensiunile a şi b sunt constante, rezultă că valoarea forţei de rupere a probei este dependentă de valoarea greutăţii G ataşate la pendul şi de poziţia acestuia în momentul ruperii. La pendul se pot ataşa greutăţi de diverse mărimi, aceasta pentru a mării sensibilitatea şi totodată domeniul de măsură al aparatului. Dinamometrul Pressley Dinamometrul Pressley, de contrucţie americană, este destinat determinări rezistenţei fibrelor de bumbac prin metoda solicitării în fascicul. Schema de principiu a aparatului este prezentată în figura VI.12. Fig. VI.12 Schema de principiu a dinamometrului Pressley [14] 1,2 cleme; 3,4 braţe; 5 greutate; 6 plan de frânare Proba se fixează între clemele ale aparatului. Clema 2, care face corp comun cu braţele 3 şi 4, toate având posibilitatea să se rotească în jurul articulaţiei fixe O. Iniţial greutatea este blocată în capătul stâng al pârghiei 4, care are o uşoară înclinare, de , faţă de orizontală. Prin deblocare, greutatea culisează în lungul braţului 4, supunând, astfel, proba fixată între cele două cleme la o solicitare de tracţiune. În momemtul ruperii fasciculului de fibre, clema 2 împreună braţele 3 şi 4 se rotesc în sens orar, greutatea se sprijină pe planul de frânare 6, oprindu-i-se astfel deplasarea. În dreptul greutăţii pe braţul 4 se citeşte valoarea forţei de rupere a fascicului.

20 148 Fibre textile Distanţa între clemele aparatului este 0, sau se poate regla la 3,2 mm. Fasciculele de fibre se fixează între clemele detaşabile ale apartului cu ajutorul unui dispozitiv special (menghină). După fixarea în cleme, extremităţile mănunchiului se taie, deci lungimea acestuia va fi de 11,8 mm (egală cu lăţimea clemelor) dacă distanţa între cleme este 0, sau de 15 mm dacă se stabileşte distanţa între cleme de 3,2 mm. Proba astfel pregătită, împreună cu clemele, se introduce în aparat şi se solicită la tracţiune. Aprecierea rezistenţei se realizează prin indicele Pressley (IP), care se calculează ca raport dintrte forţa de rupere a fasciculului şi masa acestui. Pentru fascicule cu acelaşi număr de fibre în secţiunea transversală şi acelaşi bumbac se obţin valori diferite pentru acest indice în funcţie de distanţa dintre clemele aparatului (0, sau 3,2 mm), distanţă care determină o anumită lungime totală a fascicului (11,8 mm sau 15 mm) şi implicit modifică masa acestuia. Din acest motiv pentru indicele Pressley trebuie să se specifice şi distanţa dintre cleme, astfel: P IP 0 = (libre/mg), sau M P IP 3,2 = (libre/mg) M în care: P reprezintă forţa de rupere a mănunchiului,libre; M masa mănunchiului, mg. Rezultatele care se obţin pentru cele două reglaje nu sunt comparabile şi nu se admit relaţii de transformare. Dinamometru DS-3M Aparatul DS-3M, a cărui schema de principiu este prezentată în figura VI.14, este un dinamometru cu pendul şi poate fi utilizat atât pentru determinarea rezistenţei la tracţiune a fibrelor de bumbac cât şi a celor de lână. Se solicită fascicule de fibre, a căror masa se alege astfel încât valoarea forţei de rupere să se încadreze între 1500 şi 2500 cn.

21 Proprietăţi mecanice 149 Fig.VI.14. Schema de principiu a dinamometrului DS-3M 1 clemă superioară; 2- bandă metalică; 3 probă; 4 clemă inferioară; 5 setor metalic; 6 pendul; 7 scală; 8 tijă; 9 ax; 10 cilindru; 11 pârghie cu greutatea de acţionare a clemei; 12 articulaţie fixă; 13 cilindru cu ulei; 14 manetă; 15 clicheţi; 16 roată de clichet; 17 sistem de deblocare a clicheţilor. Pentru fasciculele pregătite manual (pieptănate cu un pieptene metalic) se determină forţa de rupere şi dacă valoarea ei se încadrează în limitele menţionate atunci acea valoare se ia în considerare, iar masa acelui fascicul se determină prin cântărirea segmentelor rezultate în urma ruperii. Pentru testarea bumbacului, clemele se fixează la distanţa de 3 mm, iar după stabilirea forţei de rupere a fascicului se determină prin calcul valoarea medie a forţei de rupere a unei fibre, cu ajutorul relaţiei: în care: F r Qr = M n 0,675 F r forţa medie de rupere a unei fibre, cn; Q r forţa de rupere a fasciculului, cn; M masa fasciculului, mg; n numărul de fibre dintr-un miligram.

22 150 Fibre textile Valoarea 0,675 este un factor de corecţie [37], aplicat datorită nesimultaneităţii ruperii fibrelor. La testarea fibrelor de lână [37] distanţa între cleme se fixează la zero, iar forţa medie de rupere a unei fibre se calculează cu relaţia prezentată anterior, dar fără factor de corecţie. Dinamometru DKV Dinamometru DKV (fig.vi.15) este un aparat cu pendul cu ajutorul căruia se stabileşte rezistenţa la rupere a fibrelor liberiene tehnice. Fig. VI.15 Schema de principiu a dinamometrului DKV 1 pendul; 2 prismă; 3, 5 cleme; 4 fascicul; 6 sistem de acţionare a clemei; 7 opritor; 8 indicator; 9 scală Datorită structurii morfologice specifice a fibrelor liberiene tehnice, rezistenţa la tracţiune a acestora se apreciază prin forţa maximă de tracţiune pe care îl suportă, înainte de rupere, un mănunchi de fibre de masă şi lungime stabilite convenţional. Mănunchiurile de fuior pieptănate manual sunt tăiate şi cântărite, astfel încât să se prezinte sub formă de fascicule de 270 mm lungime şi cu masa de 420 mg. Ele se supun încercărilor cu o distanţă între clemele aparatului de 100 mm. Pentru câlţi, care conţin fibre mult mai scurte comparativ cu cele întâlnite la fuior, rezistenţa la tracţiunea se determină pentru fascicule de aceeaşi masă şi lungime, dar cărora l-i s-a aplicat o

23 Proprietăţi mecanice 151 torsiune de 120 răs/m. Fasciculele astfel obţinute au aspect de semitort. Tot datorită prezenţei fibrelor scurte, fasciculele se testează cu o distanţă între clemele dinamometrului de 70 mm. În funcţie de limitele de variaţie ale tenacităţii, fibrele textile se pot grupa în următoarele categorii: σ t = cn/tex: lâna; bumbacul scurt; fibrele artificiale proteice; etc.; σ t = cn/tex: bumbacul mediu; vâscoza; fibrele poliacrilonitrilice; etc.; σ t = cn/tex: bumbacul lung; mătasea; vâscoza cu modul înalt; fibrele modacrilice; etc,; σ t = cn/tex: bumbacul extralung; fibrele poliesterice; fibrele poliamidice; etc.; σ t = cn/tex: in; ramie; fibrele fortizan; etc.; σ t > 60 cn/tex: sticlă. În funcţie de limitele de variaţie ale alungirii la rupere, fibrele textile se pot grupa în următoarele categorii: ε = %: bumbac; in; ramie; fibrele fortizan; sticlă; etc.; ε = %: mătasea; lâna groasă; ε = %: fibrele poliesterice; fibrele poliamidice; etc.; ε = %: lâna fină; fibrele polipropilenice; etc. VI.1.4. Elasticitatea fibrelor VI Aspecte generale Elasticitatea este proprietatea fibrelor de a reveni parţial sau total la forma iniţială după îndepărtarea forţei (mai mică decât cea de rupere) care le-a provocat deformaţia. Pentru materiale în general, prezintă importanţă deformaţia elastică atât în timpul acţionării forţei cât şi în timpul revenirii (după îndepărtarea forţei). Pentru textile, prezintă importanţă deformaţia elastică după îndepărtarea forţei, deoarece pentru produsele textile în mare parte este nevoie ca ele să-şi păstreze forma după ce au fost supuse la anumite solicitări.

24 152 Fibre textile Elasticitatea fibrelor influenţează foarte multe proprietăţi ale produselor finite. Astfel: stabilitatea cu cât fibrele sunt mai elastice, cu atât produsele în structura cărora intră vor avea o stabilitate mai mare la diverse solicitări mecanice; şifonabilitate este mai redusă la produsele în structura cărora intră fibre mai elastice; tendinţă mai redusă de formare a efectului pilling la produsele alcătuite din fibre mai elastice; drapajul produselor (capacitatealor de a lua forma corpului) este cu atât mai mare cu cât fibrele din structura lor sunt mai elastice; tuşeu mai moale, mai plăcut la produsele alcătuite din fibre mai elastice; rezistenţă mai mare la produsele în structura cărora intră fibre mai elastice. Revenirea fibrelor la forma iniţială după deformare este posibilă atunci când forţele exterioare au produs modificări reversibile. Dintre asemenea modificări se menţionează: modificarea unghiului de valenţă al legăturilor intramoleculare; modificarea reversibilă a formei macromoleculei; deplasarea relativă a unor elementele structurale. Determinarea practică a valorilor deformaţiei elastice şi a deformaţiei plastice presupune solicitarea unei probe de lungime cunoscută cu o forţă inferioară celei de rupere urmată de relaxare şi măsurarea lungimii după solicitare şi după relaxare. Astfel, o fibră de lungime iniţială l 0 (fig.vi.19), sub acţiunea unei forţe de tracţiune F, mai mică comparativ cu forţa sa de rupere F r, se deformează axial ajungând la lungimea l 1.

25 Proprietăţi mecanice 153 Deformaţia totală (ε t ), exprimată în procente, este dată de relaţia: l1 l0 ε = 100 (%) l t 0 l0 l1 l2 Fig. VI.19. Reprezentarea schematică a deformarii fibrei sub acţiunea unei forţe de tracţiune l 0 lungimea iniţială; l 1 lungimea deformată; l 2 lungimea după relaxare F<Fr După îndepărtarea forţei de solicitare fibra revine la lungimea l 2. Deci, din deformaţia totală o parte se recuperează, iar cu o parte fibra rămâne deformată ireversibil. Deformaţia recuperată poartă denumirea de deformaţie elastică (ε e ) şi ea se produce datorită unor modificări reversibile în structura fibrelor, iar deformaţia ireversibilă este numită deformaţie plastică (ε P ) şi este rezultat al deplasării elementelor structurale unele faţă de altele. Conform exemplului prezentat în figura VII.19, cele două componente ale deformaţiei totale se calculează cu relaţiile: l1 l2 ε = 100 (%) l e 0 l2 l0 ε p = 100 (%) l 0

26 154 Fibre textile VI Mărimi de apreciere a elasticităţii Capacitatea de revenire din deformare se apreciază prin: modul de elasticitate (E); gradul de elasticitate (G e ); lucrul mecanic de revenire (L r ). Modulul de elasticitate este o caracteristică de material, care reprezintă efortul necesar pentru a obţine o alungire egală cu lungimea iniţială în domeniul elastic (o alungire de 199%). Este o mărime foarte importantă, dar numai valoarea acestei caracteristici nu este suficientă pentru a cuantifica elasticitatea fibrelor. Modulul de elasticitate pentru fibre se determină pentru prima parte a diagramei efort-deformaţie, deoarece numai în această zonă se respectă legea lui Hooke. La unele fibre, în zona de proporţionalite apar atât deformaţii elastice cât şi deformaţii plastice. Producerea simultană a acestor deformaţii face aproape imposibilă separarea lor, din care cauză valoarea modulului de elasticitate nu este suficientă pentru aprecierea capacităţii de revenire din deformare. Gradul de elasticitate (G e ) este un parametru convenţional, care reprezintă raportul dintre deformaţia elastică (ε e ) şi deformaţia totală (ε t ) şi se calculează cu relaţia: G e l ε e = = ε l t 1 1 l l0 l l l1 l 100 = l l (%) în care: l 0, lungimea iniţială, l 1, lungimea deformată, l 2 lungimea după relaxare. Deformaţia elastică şi deformaţia totală se calculează după ce fibra a fost supusă unei încărcări sau alungiri convenţionale un timp stabilit deasemenea convenţional.

27 Proprietăţi mecanice 155 Practic gradul de elasticitate se poate determina prin: încărcare constantă, respectiv o anumită lungime de fibra se solicită cu forţă cunoscută (de regulă 30 % din forţa de rupere) după care se determină lungimea deformată şi lungimea după revenire; alungire constantă respectiv fibra se deformează cu o anumită alungire (de regulă ε = 5 %), după care se urmăreşte revenirea. Gradul de elasticitate este dependent de mărimea forţei, sau, după caz, de mărimea alungirii aplicate probei, din acest motiv este strict necesar ca atunci când se indică o anumită valoare a gradului de elasticitate să se indice şi condiţiile de testare. Gradul de elasticitate scoate în evidenţă unele caracteristici de folosire a fibrelor; de acest parametru depind stabilitatea, şifonabilitatea, rezistenţa. El variază de la o fibră la alta, dar este dependent şi de gradul de încărcare. Lucrul mecanic de revenire Sub acţiunea unei forţe (egală cu 30% din forţa de rupere) fibra suferă deformaţii elastice şi plastice pentru a căror producere se consumă o energie totală, din care o parte pentru producerea deformaţiei elastice, deci se conservă şi se poate recupera la relaxare, iar o parte se consumă ireversibil pentru deformaţia plastică, disipându-se sub formă de căldură. Aceste fenomene pot fi cuantificate prin lucrul mecanic consumat pentru deformare şi lucrul mecanic eliberat la relaxare Lucrul mecanic recuperat denumit lucrul mecanic de revenire sau lucrul de deformaţie elastică, poate fi determinat prin trasarea diagramei efort-deformaţie pentru o solicitare egală cu 30 % din forţa de rupere urmată de relaxare (fig. VI.20). La solicitare se va înregistra curba OA, iar la relaxare AB.

28 156 Fibre textile Fig. VI.20 Lucru mecanic de revenire (L r ) şi lucrul mecanic de deformare (L) Sub acţiunea forţei de solicitare fibra s-a deformat cu o deformaţie totală ε t, pentru aceasta consumându-se lucrul mecanic L, a cărui valoare este echivalentă cu aria de sub curba OA. După îndepărtarea forţei se recuperează deformaţia elastică ε e, respectiv lucru mecanic de revenire L r echivalent cu mărimea ariei de sub dreapta AB. Ca parametru pentru aprecierea elasticităţii fibrei se foloseşte lucrul specific de revenire L rs, care se calculează cu relaţia: L L rs = 100 (%) L r Acest parametru prezintă dezavantajul că nesesită apartură complicată şi foarte sensibilă, în timp ce gradul de elasticitate se determină mult mai rapid.

29 Proprietăţi mecanice 157 VI.1.5. Proprietăţi vâscoelastice ale fibrelor Fibrele textile în timpul prelucrării şi în timpul utilizării sunt supuse la solicitări cu forţe mai mici decât cele de distrugere, dar care acţionează timp mai îndelungat, după care urmează perioade de relaxare. Comportarea fibrelor la asemenea solicitări depinde de proprietăţile reologice ale acestora. Vâscoelasticitatea fibrelor reprezintă comportarea acestor, atunci când sunt supuse la solicitări mai mici decît cele de distrucţie, luându-se în considerare şi timpil de solicitare. Pentru studierea vâscoelasticităţii fibrelor s-au elaborat diferite metode şi modele şi s-au stabilit anumite diagrame teoretice corespunzătoare modelelor respective. Dintre toate, modelul Burgers corespunde cel mai bine pentru caracterizarea proprietăţilor vâscoelastice a fibrelor. Diagrama de fluaj a unei fibre, corespunzătoare modelului Burgers, este prezentată în figura VI.21. Fig. VI.21. Diagrama de fluaj a modelului Burgers Presupunem o fibră solicitată cu o încărcare constantă (σ) un timp t 1, timp în care se va deforma cu o valoare ε t. Îndepărtând sarcina, fibra va tinde să revină la dimensiunea iniţială. În momentul îndepărtării forţei apare un fenomen de revenire instantanee (ε e ), urmat de unul de revenire încetintă(ε eî ).

30 158 Fibre textile În momentul aplicării forţei de solicitare fibra se deformează instataneu, această deformaţie fiind indicată în diagrama prin segmentul 0a. Pe parcursul solicitării, în intervalul de timp t 1, deformaţia creşte continuu conform curbei abc. La încetarea solicitării fibra tinde să revină la dimensiunea iniţială. O parte din deformaţie se recuperează instantaneu şi anume deformaţia elastică imediată (ε e ), în diagrama fiind redată prin segmentul ce, deformaţia elastică încetinită (ε eî ), redată prin curba ef, se recuperează după un anumit timp, iar deformaţia plastică (ε p ), indicată de segmentul fg, nu se recuperează. Dacă după intervalul de timp t 1 nu s-ar întrerupe solicitarea, atunci fibra ar continua să se deformeze, conform curbei cd, ceea ce ar conduce la ruperea fibrei. În timpul solicitării se produc fenomene specifice, care sunt indicate în diagramă prin următoarele zone: segmentul 0a corespunde deformaţiei elastice, care se produce cu viteză mare; curba ab corespunde fluajului primar, care este o deformaţie complexă; în această zonă începe curgerea unor elemnete faţă de altele, viteza de deformare fiind încă destul de mare; curba bc corespunde fluajului stabilizat; deformaţia creşte proporţional cu timpul, dar cu o viteză mai mică; curba cd corespunde fluajului accelerat; este zona în care viteza de deformare creşte din nou; fluajul accelerat precede ruperea fibrei. În timpul de relaxare se produc următoarele fenomene: revenirea elastică imediată, care se produce cu vitza sunetului; este redată în diagrama prin segmentul ce; revenirea elastică încetinită, sau fluajul primar invers, redat prin curba ef; fluajul stabilizat invers, redat prin dreapta fg.

31 Proprietăţi mecanice 159 Metode şi aparate pentru determinarea gradului de elasticitate şi trasarea diagramelor de fluaj Pentru obţinerea diagramelor de fluaj, şi a gradului de elasticitate, se pot aplica două metode: cu încărcare constantă, metodă prin care se obţin diagrame de fluaj de tipul celei prezentate în figura VI.22; cu alungire constantă, care presupune deformarea probei până la valoarea alungirii totale (fig. VI.23) şi determinarea alungirilor la relaxare. Fig. VI.22. Diagrama de fluaj obţinută prin metoda cu încărcare constantă Fig. VI.23. Diagrama de fluaj obţinută prin metoda cu alungire constantă Pentru ambele metode, obţinerea practică a diagramelor şi implicit a deformaţiilor corespunzătoare, presupune stabilirea deformaţiei la diferite intervale de timp, atât pentru perioada de solicitare cât şi pentru cea de relaxare. În acest scop se pot folosi microdeformetrele sau relaxometrele. Microdeformetrele destinate testării fibrelor sunt echipate cu dispozitive optice cu ajutorul cărora se pot determina deformaţiile cu precizie de 1 micron. Schema de principiu a unui microdeformetru este prezentată în figura VI.24.

32 160 Fibre textile l0 ldi lri Fig.VI.24 Schema de principiu a unui microdeformetru [14] 1 probă; 2- greutate de pretensionare; 3 greutate de solicitare; 4 suport mobil a b c Iniţial se stabileşte lungimea (l 0 ) a fibrei pretensionate cu o forţă de 0,5 cn/tex (fig. VI.24 a). Prin coborârea suportului 4 asupra fibrei va acţiona o forţă de tracţiune constantă, egală cu greutatea călăreţului 3 (fig. VI.24 b). Proba se menţine sub tensiune o perioadă (de exemplu 30 minute) notându-se lungimile deformate (l di ), care se înregistrează la diferite intervale de timp (de exemplu la 5 ; 30 ; 1 ;... ; 30 minute). Anularea solicitării se realizează prin ridicarea suportului 4 (fig. VI.24 c). În perioada de relaxare, de regulă egală cu cea de solicitare, se urmăreşte revenire din deformare, prin notarea lungimilor (l ri ) înregistrate la aceleaşi intervale de timp. În baza lungimilor stabilite se calculează valorile deformaţilor corespunzătoare fiecărui interval de timp de solicitare, respectiv de relaxare, valori care se folosesc pentru trasarea diagramei de fluaj. Pentru calculul deformaţiei totale, a deformaţiei elastice imediate, a deformaţiei elastice încetinite, a deformaţiei plastice, precum şi a gradului de elasticitate nu este strict necesar să se cunoască toate lungimile înregistrate la solicitare şi relaxare. Astfel, dacă se consideră că o probă a fost solicitată şi respectiv relaxată timp de 30 minute, atunci pentru calculul parametrilor menţionaţi este suficient să se cunoască lungimea iniţială

33 Proprietăţi mecanice 161 (l 0 ), lungimea după 30 de minute de solicitare (l 1 ), lungimea de revenire (l 2 ) după 5 secunde (mai rapid practic nu este posibil) de la îndepărtarea forţei şi lungimea de revenire (l 3 ) după 30 de minute de relaxare. Pentru calculul deformaţiei totale (ε t ), a deformaţiei elastice imediate (ε e ), a deformaţiei elastice încetinite (ε eî ), a deformaţiei plastice (ε p ), precum şi a gradului de elasticitate (G e ) se aplică relaţiile: l1 l0 l1 l2 ε t = 100 (%) ε e = 100 (%) l l 0 l2 l3 l3 l0 ε ei = 100 (%) ε p = 100 (%) l l G e ε e + ε ei = ε t l l 100 = l l (%) Relaxometrele (fig.vi.25) sunt aparate la care modul de lucru este similar celui descris la microdeformetru. Diferenţa între cele două tipuri de aparate constă în modul de solicitare a probei. La relaxometru solicitarea se realizează prin intermediul unor arcuri a căror caracteristici sunt cunoscute. 1 l0 ldi 2 Fig.VI.25. E 3 lao la1 Schema de principiu a unui relaxometru 1 probă; 2 clemă; 3 arc. a b σ

34 162 Fibre textile Dacă, pentru arc se cunosc modulul de elasticitate (E), lungimea în stare relaxată (l ao ), adică lungimea înainte de solicitarea probei (fig. VI.25 a) şi lungimea din timpul solicitării (l a1 ), atunci se poate calcula încărcarea (σ) la care a fost supusă proba prin intermediul arcului şi anume: σ = ε E la1 lao la1 lao, dar ε =, deci σ = εe = E l l a1 La relaxometre, prin deformarea arcurilor cu diferite valori se pot realiza diverse încărcări ale probelor, nefiind necesară în acest scop o trusă de greutăţi (călăreţi) ca în cazul microdeformetrelor. a1 VI.2. SOLICITAREA DE ÎNCOVOIERE Folosirea în exclusivitate a rezistenţei, drept criteriu de apreciere a calităţii, nu este indicată deoarece o mare rezistenţă nu este dovada unei bune calităţi, după cum, nici o rezistenţă mică nu dovedeşte sufiicent că materialul este necorespunzător calitativ. În afară de solicitările de tracţiune, fibrele sunt supuse şi altor solicitări, între care predominante sunt solicitările la încovoiere, care se pot produce în timpul procesului de prelucrare, sau chiar în timpul utilizării produselor finite. În timpul procesului de prelucrare textilă fibrele sunt supuse la solicitări de încovoiere prin îndoiri de diferite organe, în special în procesele din filatură, prin buclări sau înodări în procesele de prelucrare a firelor - răsucire, ţesere, tricotare etc., sau în timpul operaţiilor de interţesere în cazul structurilor textile neţesute., solicitări care pot conduce la modificări structurale esenţiale, evidenţiate de regulă prin stabilitatea dimensională a produsului. Dimensionarea organelor lucrătoare prin sau peste care se trec fibrele este în strânsă legătură cu comportamentul acestora la încovoiere. Raza de curbură a acestor organe se stabileşte astfel încât să nu provoacedistrucţia fibrelor prin încovoiere.

35 Proprietăţi mecanice 163 VI.2.1. Calculul razei de curbură care provoacă ruperea fibrei Marea majoritate a organelor lucrătoare sunt cilindrice, deci fibrele se încovoaie după o rază de curbura, a cărei valoare, în cazul în care este foarte mică (adică atunci când organele de lucru care provoacă încovoiere sunt de dimensiuni foarte mici) poate determina ruperea prin încovoiere a fibrelor. Pentru a preîntâmpina apariţia unui asemenea fenomen este necesar să se cunoască valoarea razei de curbură care ar putea distruge fibra prin încovoiere. Se consideră o fibră, cu diametru d, (fig.v.26 ) care trece peste un organ de lucru cilindric, de rază R i, organ care îi provoacă o încovoiere de rază R 0. În zona de sub raza neutră (x-x, ) fibra este supusă la eforturi de compresie, iar în zona de deasupra la solicitări de întindere şi tensionare. A B l l x d li ϕ x Re R0 Ri 0 Fig. VI.26. Fibră încovoiată sub o rază de curbură R 0 Întrucât fibrele textile se caracterizează printr-o bună rezistenţă la compresie, distrugerea fibrei încovoiate poate să fie cauzată numai de întindere. Ruperea fibrei apare atunci când zona situată deasupra axei neutre va suferi o deformaţie mai mare, sau cel puţin egală cu alungirea la rupere a fibrei. Din această zonă, partea exterioară, respectiv arcul de cerc l e este cel care se deformează cel mai mult.

36 164 Fibre textile Ţinând cont că axa neutră nu se deformează, deci arcul l 0 nuşi modifică dimensiunea, condiţia de rupere a fibrei este ca alungirea arcului l e comparativ cu l 0 să fie mai mare decât alungirea la rupere (ε r ) a fibrei: l l e 0 ε = ε r l0 Cunoscând grosimea şi alungirea la rupere a unei fibre, se poate calcula valoarea razei de curbură a organului de lucru care poate conduce la distrugerea acesteia. Dacă s-ar face un calculul, s-ar constata că numai organele de lucru cu o rază de curbură foarte mică (sub 45μm) ar putea distruge fibra numai prin simpla încovoiere. În practică, nu există organe de lucru de asemenea dimensiuni. Deci, în procesele de prelucrare fibrele nu se rup datorită solicitării de încovoiere, dar de cele mai multe ori solicitarea de încovoiere este însoţită şi alte solicitări, în special de solicitările de tracţiune, care împreună pot provoca ruperea fibrei. Aşadar, făcând abstracţie de natura polimerului şi de structura produsului, influenţa cea mai mare a rezistenţei la încovoiere o exercită grosimea fibrelor atât prin mărime cât şi prin forma ariei secţiunii transversale: fibrele mai fine se comportă mai bine la solicitări de încovoiere decât cele mai groase; o formă mai aplatizată micşorează rezistenţa la încovoiere a fibrelor, mărind deci flexibilitatea acestora. Capacitatea de îndoire, denumită şi flexibilitatea fibrelor este influenţată de asemenea şi de proprietăţile lor elastice (de valoarea alungirii la rupere şi de valoarea alungirii corepunzătoare limitei de elasticitate).

37 Proprietăţi mecanice 165 VI.2.2. Rezistenta la încovoiere a fibrelor Rezistenţa la îndoire denumită şi rigiditate este capacitatea fibrelor de a se opune schimbării formei lor sub acţiunea forţelor de încovoiere. Acesta este un alt mod de apreciere a comportării fibrelor la solicitarea de încovoiere. Fiecare fibră se caracterizează printr-o anumită capacitate de a se opune schimbării formei sale, atunci când asupra ei acţionează un moment încovoietor. Valoarea rigidităţii la încovoiere poate fi calculată sau determinată practic, fiind.definită de relaţia: R i = E I în care I reprezintă momentul de inerţie a secţiunii transversale faţă de axa neutră. Pentru fibrele cu secţiune circulară rigiditatea este dată de relaţia: 4 πd R i = E I = E (cn.mm 2 ) 64 în care E reprezintă modulul de elasticitate, în cn/mm 2 ; d diametrul secţiunii fibrei, în mm. Deoarece diametrul fibrelor şi firelor este greu de determinat cu precizie, valoarea rigidităţii se poate calcula prin folosirea indicatorilor specifici utilizaţi în sectorul textil cu relaţiile: E T 4 π ρ 2 t R i = 3 10 (cn.mm 2 ) E T 4 π ρ 2 t R i = 5 10 (cn.cm 2 )

38 166 Fibre textile Din aceaste relaţii rezultă că rigiditatea la încovoiere a unei fibre este direct proporţională cu modulul de elasticitate şi pătratul densităţii de lungime şi invers proporţională cu masa specifică. La fibrele de aceeaşi natură (E = ct. şi ρ = ct.) valoarea rigidităţii depinde numai de grosimea fibrei. Pentru determinarea rigidităţii fibrelor a căror secţiune transversală nu este circulară, literatura de specialitate propune următoarea relaţie de calcul: η E T 4 π ρ 2 t 3 R i = 10 (cn.mm 2 ) în care: η este un coeficient de corecţie a cărui valoare ţine seama de forma secţiunii transversale a fibrelor. În tabelul 1, sunt prezentate valorile acestui coeficient pentru principalele fibre textile. Tabel VI.1. Coeficienţi de corecţie a rigidităţii fibrelor Tip fibră Valoare Valoare Tip fibră coeficient coeficient Vâscoza 0,74 Mătase 0,59 Fortizan 0,83 Poliamidă 0,91 Acetat 0,67 Sticlă 1,00 Lână 0,80 VI Metode de măsurare a rigidităţii Deoarece fibrele textile se caracterizează prin mărimi şi forme foarte variate, chiar şi în cadrul aceluiaşi tip de fibră, practic este mai simplu să se determine rigiditatea prin diferite metode experimentale, decât să se calculeze cu relaţiile prezentate, dar pentru aceasta este necesară o aparatură foarte sensibilă, care să asigure încărcarea fibrei cu forţe foarte mici şi care să permită măsurarea exactă a deformaţiilor ce apar în urma solicitărilor.