Петровская И

Первую фазу можно получить и при равенстве расстояний между продольными осями нитей L_wp^N = L_wft^N (Фиг.13,d). В этом случае дизайнеру следует определить меру различия в толщине нитей основы и утка. В частности, должно быть выполнено следующее соотношение условных диаметров: d_wp >> d_wft, при утке из шерсти и основе из хлопка.

Принцип подбора толщины нитей основы и утка (d_wp, d_wft) и дистанционного расположения в ткани (L_wp^N = L_wft^N) применительно к данной фазе состоит в учете соотношения их жесткости к изгибу.

Получение на ткацком станке плотных тканей связано с значительными трудностями: существенным повышением напряженности процесса формирования ткани, повышением обрывности нитей основы, снижением качества ткани и производительности станка. В связи с этим далее более подробно рассмотрим возможные варианты тканей с предельной и сверхпредельной плотностью расположения нитей основы и утка.

На Фиг.14 представлены идеализированные элементы ткани с предельной плотностью расположения уточин в сочетании с нормальной плотностью распределения нитей основы при различных фазах строения из нитей различного рода волокон.

Сравнительно тонкие уточины из льна могут сблизиться вплотную без взаимного смятия по толстым нитям основы из хлопка при их нормальной плотности расположения в ткани (Фиг.14,а). Такое плотное (контактное) расположение уточин может быть только в фазе строения ткани меньше первой, например, при N_F = 0,4266. Применительно к данной ячейке ткани следует придерживаться следующих рекомендаций: d_wp >> d_wft, L_wp^N , L_wft^lim_(0,4266) = 2a_wft(0,4266), боковой зазор между уточинами S_wft(0,4266) = 0.

При первой фазе строения ткани (Фиг.14,b) предельно близкое расположение уточин характеризуется наличием зазора («свободного хода») S_wft^lim₍₁₎ < a_wft(1) между ними. Применительно к показанной ячейке ткани из льняного утка и хлопковых нитей основы дизайнеру следует учитывать следующие соотношения параметров: d_wp > d_wft, L_wp^N , L_wft^lim₍₁₎ > 2a_wft(1), боковой зазор между уточинами S_wft(1) < a_wft(1) .

Пятую фазу строения ткани (Фиг.14,c) можно получить из льняных уточин и нитей основы из хлопка равных диаметров при нормальной плотности ткани по основе L_wp^N₍₅₎ и при предельной плотности расположения уточин L_wft^lim₍₅₎. Боковой зазор между уточинами S_wft(5) достигает максимальной величины по сравнению с другими фазами. Рекомендуемые параметры: d_wp = d_wft, L_wp^N₍₅₎ >> L_wft^lim_(5), боковой зазор между уточинами S_wft^lim₍₁₎ < 2a_wft(5) .

Наибольший порядок фазы строения ткани N_F = 9,8 при толстом льняном утке и тонких нитях основы из хлопка характеризуется предельным сближением уточин на расстояние L_wft^lim_(9,8) = 2a_wft(9,8) + 2b_wp(9,8) c боковым зазором между уточинами S_wft(9,8) ≈ 2b_wp(9,8) при d_wp << d_wft и нормальной плотности по основе L_wp^N.

Параметры и условия образования предельной плотности расположения нитей основы в ткани в пределах 2÷8 фаз строения альтернативно совпадают с параметрами предельной плотности расположения нитей утка. Однако, при крайних фазах (меньше 0,42) наблюдаются существенные отличия величин L_wр^lim и L_wft^lim, S_wp^lim и S_wft^lim , о чем будет сказано позднее.

В качестве полезного для дизайнера примера анализа условий получения основных фаз строения ткани используем наиболее распространенный вариант сочетания рода натуральных волокон: растительного хлопкового для нитей основы и животного шерстяного для нитей утка. На Фиг.15 изображены идеализированные ячейки структуры ткани при предельной плотности расположения нитей основы и нормальной плотности распределения уточин в структуре ткани.

Если в фазе N_F = 0,4266предельная плотность расположения уточин характеризуется началом контакта нитей утка S_wft^lim_(0,4266) = 0, то предельная плотность расположения нитей основы L_wp^lim_(0,4266) (Фиг.15,а) получается при наличии “свободного хода” равного толщине уточины в направлении малой оси эллипсовидного поперечного сечения S_wp(0,4266) ≈ 2b_wft(0,4266) . При d_wp >> d_wft и L_wft^N предельная плотность ткани по основе равна сумме габаритов нити основы по оси эллипса «а» и утка по оси «b»: L_wp^lim_(0,4266) = 2a_wp(0,4266) + 2b_wft(0,4266).

В пятой фазе (Фиг.15,b) при равенстве условных диаметров d_wp = d_wft и нормальной плотности по утку из шерсти L_wft^N₍₅₎ зазор («свободный ход») между нитями основы из хлопка даже при предельной плотности их расположения в структуре ткани будет иметь место: S_wp^lim₍₅₎ < 2a_wp(5). В данном варианте фазового строения ткани следует соблюсти значимое неравенство L_wft^N₍₅₎ >> L_wp^lim₍₅₎.

Предельно сблизить нити основы из хлопка до начала контакта и исключить «свободный ход» между ними при нормальной плотности расположения уточин из шерсти возможно при крайнем порядке фаз N_F = 9,8 (Фиг.15,с). Для этого необходимо существенно уменьшить толщину нитей основы по сравнению с толщиной уточин. Для рассмотренного выше варианта структуры ткани параметры будут иметь вид: d_wp<<d_wft, L_wft^N, L_wp^lim_(9,8) = 2a_wp(9,8), S_wp^lim_(9,8)=0.

Практический интерес представляет анализ вариантов действительно предельно плотных тканей одновременно по основе и утку.

На Фиг.16 показаны примеры идеализированных ячеек таких предельно плотных тканей из волокон одного рода применительно к трём основным фазам строения: N_F = 0,4266, N_F = 5 и N_F = 9,8.

Отличительной особенностью использования нитей основы и утка из волокон одного рода является необходимость четкого соответствия их условных диаметров конкретной желаемой фазе строения. Например, для создания первой фазы строения необходимо существенное превышение толщины нитей основы над толщиной уточин, а для достижения девятой фазы строения – наоборот, необходимо существенно превышение условного диаметра нитей утка над условным диаметром нитей основы. Соблюдение этого правила обеспечит образование в естественной структуре ткани относительную прямолинейность нитей основы при первой фазе и нитей утка при девятой фазе.

На Фиг.16,а представлен идеализированный элемент ткани с предельной плотностью одновременно по основе и утку при порядке фазы строения N_F = 0,4266. Интересно отметить факт полного перекрытия структуры ткани нитями основы и утка и исключение свободного хода, например, воздуха, влаги или любого другого вещества. Применительно к данному элементу ткани будут справедливы следующие соотношения: d_wp >> d_wft, L_wp^lim_(0,4266) = 2a_wp(0,4266) + 2b_wft(0,4266) , L_wft^lim_(0,4266) = 2a_wft(0,4266) . Далее следует обратить внимание на существенное различие величин расстояний между боковыми поверхностями нитей основы и утка: между уточинами S_wft^lim_(0,4266) = 0, а между нитями основы S_wp^lim_(0,4266) = 2b_wft(0,4266).

Как правило, на практике не учитывают в полной мере особенность пятой фазы строения ткани: сочетание предельных плотностей расположения нитей основы и утка не позволяет полностью исключить «свободный ход», так как сближению нитей основы препятствуют уточины, а нитям утка – нити основы (Фиг.16,b), даже при равенстве их толщин (самом благоприятном варианте равновесия напряженного состояния элемента ткани). Данный элемент ткани будет иметь следующие параметры: d_wp = d_wft, L_wp^lim₍₅₎ = L_wft^lim₍₅₎ , S_wft^lim₍₅₎ < a_wft(5) , S_wp^lim₍₅₎ < а_wр(5). Таким образом, при пятой фазе даже при сочетании предельных плотностей по основе и утку будет иметь место «свободный ход».

Предельно большая фаза строения ткани N_F = 9,8 (Фиг.16,c) может быть образована как альтернатива фазе N_F = 0,4266 с сохранением главного преимущества: отсутствие пор для свободного хода воздуха и др. Для этого необходимо соблюсти исполнение следующих параметров структуры элемента ткани: d_wp << d_wft, L_wp^lim_(9,8) = 2a_wp(9,8), L_wft^lim_(9,8) = 2a_wft(9,8) + 2b_wp(9,8) , S_wft^lim_(9,8) = 2b_wp(9,8) , S_wp^lim_(9,8) = 0.

В качестве подтверждающей иллюстрации подобного расположения нитей основы и утка в ткани (См. Фиг.16,d) можно использовать схематическое изображение предельно плотной ткани по основе в работе “Analysis of woven fabrics”, A.F. Barker и E. Midgley [1], опубликованной ещё в 1914 г.

Как исключение из правил, на практике можно достигнуть сверхпредельную плотность ткани, однако, только по утку.

Из натуральных волокон самым подходящим для создания сверхплотных тканей является тонкая рунная шерсть. Нити из такой шерсти обладают ценным свойством – малым сопротивлением к изгибу. В работе [22] проф. R.Beaumont представил фотографию сверхплотной ткани (Фиг.17,а), на которой продемонстрировано весьма существенное взаимное сжатие уточин из шерсти.

С появлением сверхпрочных синтетических волокон к продольному разрыву (типа Kevlar) и сверхстойких к воздействию температуры (3000⁰С - типа Carbon) резко расширился ареал использования тканых усиливающих каркасов для композитных материалов особого назначения. Проф. G. Nardoni [24] достаточно подробно описал наиболее значимые примеры применения подобных композитных материалов для изготовления частей крыльев самолетов, лопастей винтов двигателей и др.

На Фиг. 17,b из [24] представлена фотография тканого усиливающего каркаса из кевларовых нитей утка и карбоновых нитей основы. Прямолинейная форма нитей основы и боковое смятие нитей утка указывает на принадлежность образца к сверхпредельной структуре при фазе строения менее 0,4. На фотографии хорошо видно отсутствие так называемого «свободного хода». Здесь следует отметить одну особенность синтетических нитей: как правило, кевларовые и карбоновые нити формируются из филаментов с относительно малой круткой (около 100 кручений на 1м), поэтому такие нити сравнительно легко подвергаются смятию.

Для более подробного анализа параметров структуры ткани сверхпредельной плотности по утку на Фиг.18 показан идеализированный фрагмент ткани с сверхпредельной плотностью расположения нитей утка и предельной плотностью расположения нитей основы при использовании волокон из Кевлара и Карбона при порядке фазы N_F = 0,2.

На Фиг.18,а для наглядности представлено переплетение пяти нитей утка с двумя нитями основы при следующих параметрах структуры: d_wp >> d_wft, L_wft^H-lim_(0,2) = 2a_wft(0,2) – 2S_wft(0,2), L_wp^lim_(0,2) = 2a_wp(0,2) + 2b_wft(0,2) , S_wp^lim_(0,2) = 2b_wft(0,2) . Величина бокового смятия уточины в направлении большой оси 2a эллипсовидного поперечного сечения обозначена как отрицательная величина – S_wft(0,2) по сравнению с положительным значением +S_wft обозначающим наличие бокового зазора между уточинами при порядках фаз от1 до 9.

На Фиг.18,b показано поперечное сечение уточин А-А на фоне правой нити основы. Размер уточины в направлении большой оси эллипсовидного сечения уменьшен на величину взаимного бокового смятия: 2а_wft(0,2) - 2S_wft(0,2) .

Поперечное сечение двух нитей основы и продольное сечение уточины (Фиг18,с) наглядно демонстрирует причину отсутствия контакта нитей основы даже при их предельной плотности расположения в ткани. На продольном сечении уточины изображен эллипсовидный ареал её бокового смятия другой уточиной на участке перехода с нижней поверхности ткани на верхнюю.

Проведенный анализ показал невозможность по произволу достигать любую фазу строения ткани без учета свойств и геометрических параметров нитей основы, утка и ткани. В связи с этим практический и научный интерес представляет разработка способа изыскания условий получения желаемой фазы строения ткани на примере полотняного переплетения нитей.