دانلود مقاله صنعت نساجی

فصل اول:

رفتار کششی ابریشم عنکبوتی:

خلاصه: ابریشم عنکبوتی در سالهای اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است، ترکیب منحصر به فرد، استحکام کششی بالا به همراه کرنش گسیختگی بالا و وزن بسیار ناچیز در این نوع ابریشم توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده است. از آنجا که پژوهش درباره ابریشم پیله عنکبوت با محدودیتهایی روبرو است، همواره ابریشم چسبنده و تارکشی مورد توجه بوده اند. در این پژوهش، به منظور توضیح رابطه ی ساختار با خواص ابریشم عنکبوت، رفتار تنش- کرنش ابریشم پیله و رفتار تنش- کرنش ابریشم تارکشی با هم سنجیده و مقایسه می شوند. همچنین در این مطالعه اثبات می شود که این دو نوع فیبر(الیاف) رفتار تنش- کرنشی کاملا متفاوت از خود نشان می دهند. علاوه بر این تاثیر سرعت آزمون هم مورد بررسی قرار می گیرد. سرعت های آزمون پایین در ابریشم پیله، موجب استحکام و سختی کمتر و مدول ثانویه ی بالاتر می شود. زمانی که منحنی تنش- کرنش(تنش با افزایش طول نسبی) بوسیله ی مدل پیشرفته(گسترده) ماکسول نمایش داده می شود. افزایش سرعت آزمون موجب بالاتر رفتن سطح ناحیه ی سخت شدن و حرکت ناحیه ی تسلیم به سمت کرنش های بالاتر شده، به طوری که ناحیه ی سخت شدن در منحنی تنش- کرنش بیشتر به حالت افقی در می آید. به هر حال می توان سرعت 20 mm/min را به عنوان نقطه اشباع در نظر گرفت، نقطه ای که در آنجا تاثیر سرعت کاهش می یابد. تاثیر سرعت آزمون بر روی ابریشم تارکشی نسبت به ابریشم پیله، به وضوح کمتر می باشد.

با این همه بررسی دقیق تر منحنی تنش- کرنش ابریشم تارکشی نشان می دهد که شکل های متفاوتی برای رفتار تنش- کرنش ابریشم تارکشی امکان پذیر می باشد.

کلمات کلیدی: ابریشم عنکوبت تارکشی، پیله، تنش- کرنش

1: مقدمه

از آنجا که ابرایشم عنکبوت، مخصوصا از نوع رشته تار کشی، الیافی است تا ترکیب بی مانند شامل استحکام کششی و کرنشی بالا و در عین حال وزن بسیار ناچیز، در سالهای اخیر توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. در جدول 1-1 نام چندین نمونه ابریشم عنکبوت تولید شده از عنکبوت آرانوس دیادماتوس، به همراه اطلاعات مربوطه که شامل غدد ترشح کننده، عملکرد و ترکیب اسید آمینه آنها می باشد، ارائه شده است.

جدول 1-1 : انواع ابریشم عنکبوت آرانوس دیا دماتوس و عملکرد آنها.

عنکوبتها انواع ابریشم ها را از الیاف ارتجاعی برگشت پذیر گرفت تا الیافهای شبه کولار kevlar می سازند، اما این موضوع که چطور عنکوبتها خواص مکانیکی ابریشم ها را تنظیم می کنند هنوز مشخص نیست. بیشتر عنکبوتی که مورد بررسی قرار گرفته اند، ابریشم هایی هستند که از طریق غدد (MA) امپولیت بزرگ- ساخته می شوند و عنکبوت از انها برای تنیدن تار عنکبوت و تارکشی (عنکبوتی) (با قدرت استحکام Gpa  1/1 و کرنش گسیختگی 27 درصد) استفاده می کند. ابریشم فوق العاده دیگری که اغلب مورد بررسی قرار می گیرد ابریشم چسبنده (با قدرت استحکام  Gpa 0.5 – کرنش گسیختگی   270 درصد) می باشد که توسط غدد شلاقی ترشح شده و مارپیچ چسبناک نگهدارنده در تار عنکبوت را تشکیل می دهد. تا کنون تعداد مقالاتی که درباره ابریشم پیله عنکبوت نوشته شده نسبتا محدود می باشد. در این مقاله مقایسه ای بین رفتار کششی ابریشم تارکشی و ابریشم پیله عنکبوت آرانوس دیادماتوس صورت گرفته است، چنین مقایسه ای در تشخیص رابطه بین خواص ابریشم عنکبوت ب ساختار آن موثر خواهد یود. علاوه بر این تاثیر سرعت آزمون هم مورد بحص و بررسی قرار می گیرد.

2- تفاوت ابریشم پیله و ابریشم تارکشی.

2-1 مواد و روشها

پنج پیله عنکبوت در آرانوس دیاماتوس از یک خانه باغی جمع آوری شده و از هر پیله یک صد الیاف بتدریج جدا شده و مورد آزمایش قرار گرفت.

برای تهیه ی نمونه های تارکشی آرانوس دیادماتوس، تعدادی عنکبوت در آزمایشگاه تحت شرایط کنترل شده نگهداری شوند و سی نمونه رشته تارکشی به طور دستی گرفته شد که از هر نمونه، ده لیف تهیه و بررسی شد. برای تجزیه و تحلیل خواص کششی الیاف پیله و رشته های تارکشی، روبات Favimat  به کار گرفته شده است. این دستگاه یک شناساگر نیمه خودکار می باشد که فقط استحکام را اندازه گیری می کند و طبق اصل سرعت ثابت کشش (DIN 51221, DIN 53816, ISO 5079)                                                                                                                                                                                                                      کار می کند و کمک می کند تا نیرو با قدرت تفکیک بالا حدود 0.1mg اندازه گیری شود. به علاوه این وسیله به یک واحد تکمیلی سنجش دانسیته خطی (در واحد dtex) مجهز می باشد. که این خود امتیاز ممی (مخصوصا در مورد الیاف طبیعی) به حساب می آید زیرا میزان ظرافت الیاف را همزمان با خواص کششی آنها اندازه گیری می کند، اندازه گیری دانسیته خطی طبق متد ارتعاش سنج صورت می گیرد

 (Astm D 1577-BISFA 1985).

به خاطر ظرافت فوق العاده ی رشته های تارکشی، متاسفانه اندازه گیری همزمان میزان ظرافت آنها، امکان پذیر نبود. میزان ظرافت تعدا کثیری از نمونه ها به وسیله تحلیل تصویری زیر میکروسکوپ نوری (در واحد mm) اندازه گیری شد و سپس مقادیر بدست آمده، با در نظر گرفتن ویژه 1/3 g/cm3، طبق روشی که در مقاله سوم آمده است، به واحد dtex تبدیل شدند. خواص کششی رشته های تارکشی با طول گیج mm20، سرعت آزمون mm/min 20 و کشش اولیه CN/dtex 0.5 مورد بررسی قرار گرفت. دانستیه خطی هم در سرعت آزمون mm/ min 5 و با کشش اولیه CN/dtex 0.8 ارزیابی شد.

2-2: بحث و بررسی نتایج

بعد از اینکه در شکل شماره 1-1 مشاهده می شود، ابریشم پیله رفتار تنش- کرنش کاملا متفاوتی از خود نشان می دهد. اگرچه کرنش گسیختگی در دو نوع ابریشم (÷ابریشم پیله و تارکشی) کم و بیش یکسان است (حدود ±%30 ) اما میزان سختی ابریشم تارکشی 5/3 برابر بیشتر می باشد.

همچنین قابل به ذکر است که در منحنی تنش- کرنش ابریشم پیله، یک نوعت رفتار لگاریتمی مشاهده می شود در حالی که در ابریشم تارکشی چنین چیزی صدق می کند. مقایسه اسید آمینه این دو نوع ابریشم عنکبوت، ممکن است نشان دهد که نسبت بالای glycine که مشخصه ابریشم تارکشی می باشد می تواند تا حدی این رفتار را توجیه کند. برای شناخت بهتر اسرار و رموز عنکبوتها، پژوهشهای بیشتری در زمینه ریز ساختار ابریشم عنکبوت باید صورت بگیرد.

شکل 1-1

شکل 1-1: رفتار تنش- کرنش ابریشم پیله و تارکشی عنکبوت آرانوس دیادماتوس

3. تاثیر سرعت آزمون برای تهیه ی نخ تارکشی و پیله

3-1. ابزار روشها

صدها عنکبوت آرانوس دیادماتوس در آزمایشگاه تحت شرایط کنترل شده نگهداری می شدند. پس چهار نوع پیله متفاوت به طور تصادفی جمع آوری شده و تخمها با دقت بسیاری از هر نمونه جدا گردید. برای هر آزمایش 50 لیف از هر پیله به تدریج و به آرامی کشیده شد.

نمونه های مختلفی از رشته تارکشی به طور دستی پیچیده شد. این نمونه ها از سه نوع عنکبوت مختلف انتخاب شده که برای هر آزمایش 50 لیف از آنها جدا گردیده است. در این پژوهش ها از آنجا که ارزیابی تاثیر سرعت آزمون برای ما حائز اهمیت بود، میزان ظرافت رشته های تارکشی اندازه گیری نشد، از این جهت مقادیر نیرو در واحد CN مورد بررسی قرار گرفته است. الیاف و فیلامنتها توسط روبات Favimat و در شرایطی با طول گیج mm 20 و کشش اولیه Cnldtex 0.5 و پنج سرعت متفاوت شامل: mm/min 40,30,20,10,5 مورد آزمایش و بررسی قرار گرفتند. آزمایش و بررسی رشته های تارکشی به خاطر کمبود مواد گرفته شده از یک عنکبوت در زمان آزمایش، فقط در سرعت های m/min 40m20m5 صورت گرفت. منحنی های تنش- کرنش برای هر کدام از پیله های تارکشی با پارامترهای زیر مشخص شده اند:

استحکام یا بارگسیختگی: نسبت نیروی گسیختگی نخ به میزان دانسیته خطی آن، در واحد CV/dtex

کرنش در نقطه پارگی: افزایش طول نمونه به وسیله ی نیروی گسیختگی، که به صورت درصدی از طول اولیه و با علامت درصد % مشخص می شود.

کار تا حد پارگی: ناحیه گرفته شده توسط منحنی نیرو- ازدیاد طول تا حدی که نیروی گسیختگی در واحد CN/ cm بدست آید. این شاخص میزان محکمی لیف را نشان می دهد.

مدول اولیه: به عنوان مدولی در دامنه ی تغییرات ارتجاعی نموداری که در آن تغییرات کرنشی هنوز برگشت پذیر می باشد، در واحد CN/dtex  تعریف می شود. این شاخص از روی میزان شیب خط مستقیم اولیه در منحنی تنش- کرنش محاسبه می شود.

مدول ثانویه: به عنوان مدولی بین مقادیر کرنشی 10 تا 35 درصد که مشخصه ناحیه ی سخت شدن نسبتا خطی می باشد و در واحد CN/dtex تعریف می شود.

به منظور بحث و بررسی بهتر نتایج حاصله، مدل ماکسول جهت تشریح آزمون کششی مورد استفاده قرار می گیرد. در این مدل، الیاف توسط یک مدل همراه با عناصری که رفتار مکانیکی وابسته به زمان خاصی از خود برود می دهند نشان داده می شوند. برای مثال بوسیله ی ترکیبی از فنرها و استوانه های متعادل کننده، استوانه متعادل کننده رفتار و سیکوزی وابسته به زمان را نمایان می سازد. در ساده ترین مدل ماکسول رفتار الاستو- ویسکوز یک لیف (یا نخ) از طریق یک فنر (با کابت ارتجاعی E) و یک استوانه متعادل کننده (با ثابت مرطوب کنندگی یا گرانروی) که به طور متوالی قرار گرته اند توصیف می شود این رفتار از تساوی (معادله) زیر پیروی می کند: (در این تساوی ε مقدار کرنش و F نیرو را نشان می دهد.)

در مورد افزایش ثابت کرنش در زمان، می توان ε=rt فرض کرد که در آن r یک عدد ثابت می باشد، در این صورت تساوی اول به شکل زیر تبدیل می شود.

اگر به عنوان وضعیت آغازین F(o)=FV و FV فشار اولیه باشد راه حل زیر بدست می آید:

این فرمول را می توان این چنین نوشت:

پس از بررسی نتایج آزمایشی (تجربی) می توان چنین نتیجه گرفت که بازسازی مدل ماکسول از روی منحنی تنش- کرنش الیاف ابریشم پیله به طور کامل رضایت بخش نیست. ثابت شده است که یک مدل ماکسول پیشرفته، با افزودن یک فنر خطی (طولی) ، بازسازی بهتری از منحنی های تنش- کرنش ابریشم پیله ارائه می دهد. بنابراین معادله ای (1-4) را می توان به این صورت نوشت:

از طریق رگراسیون غیر خطی می توان منحنی های تنش- کرنش را بوسیله ی سه پارامتر C,B,A توصیف و طبقه بندی کرد. به همراه اطلاعات بدست آمده از منحنی های تنش- کرنش ابریشم پیله، که در بخش 2 مشخص شده است بیشتر اوقات یک همبستگی بالاتر از 90% با خطای نسبی کمتر از 1% مشاهده شده است. تاثیر سرعت آزمون هم بر اساس این پارامترها مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

3-2: بحث و بررسی نتایج

3-2-1: تاثیر سرعت بر روی کرنش کسیختگی- سختی (استحکام)، کار تا سر حد پارگی، مدول اولیه و مدول ثانویه. اولین توصیفی که باید داده شود این است که همه ی پارامترها تغییرات بالایی را نشان می دهند. ارزش CV- (درصد ضریب تغییرات)  کرنش گسیختگی و کار تا سر حد پارگی از 30% هم حتی فراتر می رود، این مقدار %CV برای مقادیر مدولی، در بیشتر موارد به 10 تا 15% محدود می شود و برای سختی معمولا بین 10 تا 15% بیشتر می باشد. تغییر پذیری بالا توسط محقق دیگری هم تایید می شود.

شکل 1-3: تاثیر سرعت بر پارامتر کار تا حد پارگی

شکل 1-2: تاثیر سرعت بر سختی

شکل 1-5: تاثیر سرعت بر مخدول ثانویه

شکل 1-4: تاثیر سرعت بر مدول اولیه

تجزیه و تحلیل کرنش گسیختگی نشان می دهد که سرعت آزمون بر روی آن تاثیر قابل توجهی ندارد. شکل های 2 تا 5 به ترتیب تاثیر سرعت را در میزان سختی، کار تا حد پارگی، مدول اولیه و مدول ثانویه نشان می دهند. می توان چنین یرداشت کرد که برای بیشتر پارامترها نمی توان به یک نتیجه گیری کلی که در مورد همه پیله ها قابل قبول باشد، دست یافت. در خصوص سختی، برای میاگین همه پیله ها، می توان نتیجه گرفت که میزان سختی با افزایش سرعت آزمون افزایش می یابد. علاوه بر این، همان طور که در شکل (1-6) مشاهده می شود، می توان بین دو پارامتر یک رابطه لگاریتمی قابل توجهی (R2=0/9797) بدست آورد.

شکل 1-7: رابطه بین مدول اولیه و سرعت

شکل 1-6: افزایش لگاریتمی سختی با افزایش سرعت

اگر همه ی پیله ها با هم در نظر گرفته شوند، مقدار مدول اولیه همان طور که در شکل 7 مشخص است، با افزایش سرعت آزمون تا سرعت 20 mm/min افزایش می یابد، اما بعد از این سرعت، با بالاتر رفتن سرعت آزمون، شاهد کاهش در میزان مدول اولیه می باشیم. این موضوع باعث تعجب است چرا که در مقالات و گزارشات افزایش مدول ارتجاعی نسبت به سرعت گزارش شده است. از آنجا که مدول اولیه با زیر ساختار یک لیف دارای هم بستگی می باشد، به قطر می رسد که هنگام تغییر شکل کششی چندین ساختاری نیز صورت می گیرد. ممکن است طی آزمون طولانی تر یا در یک سرعت آزمون پایین تر، احتمال وقوع چنین تغییراتی کمتر شود.

در پایان، در شکل 1-5 مشاهده می شود که مدول ثانویه و سپس مدول ناحیه ای سخت شدن با افزایش سرعت آزمون کاهش می یابد. این موضوع هنگام محاسبه ی میانگین ثانویه در سرعت های مختلف، توسط کاهش قابل توجه مدول ثانویه (R2=0/9637) نسبت به افزایش سرعت آزمون اثبات می شود. در دهنه های تارکشی، سرعت هیچ گونه تاثیر مهمی از نظر آماری بر کرنش گسیختگی، نیروی گسیختگی، کار تا سر حد پارگی یا مدول ثانویه (%10- 25) ندارد. فقط در مورد اولیه، مقدار مدول در سرعت 5mm/min نسبت به سرعت های mm/min 40 , 20 ، به طور قابل توجهی بالاتر می باشد. خلاصه اینکه، می توان نتیجه گرفت که تاثیر سرعت بر روی ابریشم تارکشی نسبت به ابریشم پیله کمتر است. با مطالعه ی دقیق تر منحنی های تنش- کرنش اشکال مختلفی از منحنی ها مشاهده می شود. (شکل 1-8) منحنی نوع اول در بیتر موارد منحنی می باشد که به طور مکرر اتفاق می افتد، گاهی اوقات دو گروه با شیب های اولیه ی مختلف مشاهده می شود. منحنی نوع دوم مشخصه ابریشم پیله عنکبوت می باشد. منحنی نوع سوم تقریبا یک منحنی خطی است، اما بندرت مشاهده می گردد. هنوز دلایل پیدایش انواع منحنی ها مشخص نیست. و باید بیشتر مورد بررسی قرار گیرد.

شکل 1- 8: سه نوع منحنی تنش- کرنش ابریشم تارکشی

3- 2- 2: پارامترهای C,B,A در مدل پیشرفته ماکسول

در شکل های 9 و 10 و 11 تاثیر سرعت بر روی پارامترهای C,B,A در مدل پیشرفته ماکسول برای پیله ها همان طور که در معادله 1-5 مشاهده می شود، نشان می دهد.

شکل 1-9: تاثیر سرعت آزمون بر روی پارامتر A در مدل پیشرفته ماکسول

همان طور که در شکل شماره9 مشاهده می شود، مقدار پارامتر A با افزایش سرعت آزمون به طور لگاریتمی افزایش می یابد. تغییر پارامتر A موجب تشکیل یک منحنی با سطح ماکزیممی بالاتر از ناحیه ی سخت کننده (که یک بخش نسبتا افقی است.) می گردد. که این خود با نتایج بدست آمده در مورد سختی مطابقت می کند. علاوه بر این، پارامتر A باعث تغییر مدول اولیه می شود. در این خصوص باید به این نکته توجه کرد که تاثیر افزایشی (صعودی) پارامتر A با سرعت های بالاتر از mm/min 20 به حداقل می رسد. با این وجود به نظر نمی رسد، به اندازه ای که در مدول اولیه مشاهده می شود، کاهش یابد.

شکل 1-10: تاثیر سرعت آزمون روی پارامتر B در مدل پیشرفته ماکسول

پارامتر B با افزایش سرعت به طور قابل توجهی کاهش می یابد. مقدار پارامتر B شکل ناحیه ی تسلیم را نشان می دهد.

هنگامی که مقدار ناحیه ی B کاهش می یابد، ناحیه ی تسلیم به سمت کرنش های بالاتر حرکت می کند و در نتیجه مدول اولیه هم کاهش می یابد.

شکل 1-11: تاثیر سرعت آزمون بر پارامتر c در مدل ماکسول

پارامتر c هم با افزایش سرعت آزمون به طور لگاریتمی کاهش می یابد. اینجا نیز باید اضافه کرد که تاثیر سرعت روی پارامتر در سرعت های بالاتر از mm/min 20 کمتر می شود. افزایش مقدار c در تساوی (1-5) موجب شیب تندتر و در نتیجه مدول ثانویه بالاتر می گردد. تاثیر سرعت روی پارامتر c کم و بیش با نتایج بدست آمده برای مدول ثانویه مطابقت دارد.

نتیجه گیری: اول از همه می توان نتیجه گرفت که ابریشم پیله رفتار تنش- کرنشی کاملا متفاوت نسبت به ابریشم تاکرشی از خود نشان می دهد. هرچند کرنش گسیختگی، کم و بیش یکسان می باشند با مشاهده تاثیر سرعت آزمون مشخص شده است که در سرعت های آزمون پایین، میزان سختی، کار تا حد پارگی، استحکام وسختی کمتر می شود. در حالی که میزان مدول ثانویه در سرعت های آزمون پایین نسبت به میزان آن در سرعت های آزمون بالا بیشتر می شود. یک نوع نقطه گسیختگی در سرعت آزمون mm/min 20 روی می دهد. این امر را می توان این گونه توجیحه کرد که در خلال آزمایش، به علت تغییراتی در ساختار تعداد مشخصی تغییر شکل پلاستیک یا غیر قابل بازگشت در سرعت های پایین اتفاق می افتد در حالی که سرعت های آزمون بالا چنین اتفاقی روی نمی دهد. وقتی منحنی تنش- کرنش ابریشم پیله توسط مدل ماکسول بررسی می شود، سرعت های آزمون بیشتر موجب سطح بالا تر ناحیه سخت کنندگی، حرکت ناحیه تسلیم به سمت مقادیر کرنشی بالاتر، و رفتار افقی تر ناحیه سخت کنندگی می شود.

فصل دوم: کاهش پرز نخ در طی مرحله نخ پیچی بوسیله ی جت ها (جریانهای یع): بهینه سازی پارامترهای جت، دانستیه خطی نخ و سرعت نخ پیچی