ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОЛИ ПОЛИЭСТЕРОВОГО ВОЛОКНА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СМЕСОВОЙ ПРЯЖИ

УДК 677.4+677.49

Аннотация

В статье представлены результаты исследования физико-механических свойств хлопчатобумажной и полиэстеровой пряжи различного волокнистого состава. Проведены испытания образцов пряжи на разрыв. Для пряжи различного состава 100% хлопок, хлопок/полиэстер 85/15 и 70/30, определены показатели разрывной нагрузки, удельной разрывной прочности, относительного удлинения при разрыве и работы разрыва. Установлено, что введение полиэфирного волокна способствует повышению прочностных характеристик и износостойкости пряжи, однако приводит к снижению её гигроскопичности. Полученные результаты могут быть использованы при научно обоснованном выборе волокнистого состава пряжи для текстильных изделий различного функционального назначения.

Abstract

This paper presents the results of an experimental study on the physico-mechanical properties of cotton and polyester blended yarns of different fibre compositions. Tensile tests were carried out on yarn specimens of three compositions – 100% cotton, cotton/polyester 85/15 and 70/30. Breaking force, specific breaking tenacity, elongation at break and breaking work were determined for each specimen. It has been established that the introduction of polyester fiber enhances the tensile strength characteristics and abrasion resistance of the yarn, while reducing its hygroscopicity. The results obtained may be used for the scientifically grounded selection of yarn fiber composition in the design of textile products for various functional applications.

Ключевые слова: хлопковая пряжа, полиэстеровое волокно, смесовая пряжа, физико-механические свойства, удельная прочность, удлинение при разрыве, работа разрыва, кручение.

Keywords: cotton yarn, polyester fibre, blended yarn, physico-mechanical properties, specific breaking tenacity, elongation at break, breaking work, twist.

Введение

Одним из важнейших направлений развития современной текстильной промышленности является совершенствование структуры и свойств пряжи за счёт рационального сочетания натуральных и химических волокон. Волокнистый состав пряжи оказывает существенное влияние на её физико-механические характеристики, технологические свойства и эксплуатационные показатели готовых изделий.

В последние годы в мировой текстильной отрасли наблюдается устойчивая тенденция к расширению производства смесовых материалов, сочетающих преимущества натуральных и синтетических волокон. Это обусловлено возрастающими требованиями потребителей к качеству текстильной продукции, её долговечности, комфортности при эксплуатации и экономической эффективности производства. В связи с этим особое внимание уделяется разработке новых видов смесовой пряжи, обладающей улучшенными потребительскими и технологическими свойствами.

Хлопковое волокно является одним из наиболее распространённых видов натурального сырья в текстильной промышленности. Благодаря высокой гигроскопичности, хорошей воздухопроницаемости, мягкости и гигиеничности хлопчатобумажные изделия широко применяются при производстве бытовой, медицинской и специальной одежды. Вместе с тем хлопковая пряжа имеет ряд недостатков, к которым относятся сравнительно невысокая устойчивость к истиранию, склонность к смятию и ограниченные прочностные характеристики. Эти особенности в определённых условиях снижают срок службы готовых изделий и ухудшают их эксплуатационные свойства.

Практика показывает, что свойства смесовой пряжи во многом определяются соотношением компонентов, особенностями строения волокон и технологическими параметрами их переработки. Поэтому выбор рационального состава смеси является важной научно-технической задачей. Оптимальное сочетание хлопкового и полиэфирного волокон позволяет получить пряжу, обладающую одновременно высокой прочностью, достаточной эластичностью и удовлетворительными гигиеническими характеристиками.

В научной литературе представлены многочисленные исследования, посвящённые изучению влияния химических волокон на свойства хлопчатобумажной пряжи. Установлено, что увеличение содержания полиэфирного волокна приводит к росту разрывной нагрузки, повышению стойкости к истиранию и улучшению эксплуатационной долговечности изделий. Вместе с тем данные различных авторов свидетельствуют о необходимости комплексной оценки свойств смесовой пряжи, поскольку повышение прочностных характеристик нередко сопровождается снижением комфортности материалов при эксплуатации [1].

В связи с этим значительный научный и практический интерес представляет исследование физико-механических свойств хлопкополиэфирной пряжи различных составов и определение оптимального соотношения компонентов с учётом требований, предъявляемых к современным текстильным материалам. Полученные результаты позволяют обосновать выбор рационального волокнистого состава пряжи для производства тканей различного назначения и способствуют совершенствованию технологий прядения.

Целью настоящей работы является сравнительный анализ физико-механических свойств хлопчатобумажной и хлопкополиэстеровой пряжи линейной плотности 20 текс различного волокнистого состава на основе результатов лабораторных испытаний.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

– исследованы физико-механические свойства пряжи различного волокнистого состава;

– определены показатели удельной разрывной прочности, относительного удлинения при разрыве и работы разрыва;

– выполнено сравнительное сопоставление свойств хлопковой и хлопкополиэстеровой пряжи;

– проведена оценка влияния содержания полиэстерового волокна на эксплуатационные характеристики пряжи;

– разработаны рекомендации по выбору рационального состава смесовой пряжи для различных видов текстильной продукции.

Теоретические исследования

Физико-механические свойства пряжи определяются совокупностью факторов, основными из которых являются свойства исходных волокон, их соотношение в смеси, линейная плотность пряжи, степень кручения, равномерность распределения волокон в поперечном сечении и структура пряжи. При формировании смесовой пряжи взаимодействие различных видов волокон оказывает существенное влияние на её прочностные и эксплуатационные характеристики.

Механические свойства пряжи – прочность при разрыве, удлинение, стойкость к истиранию – напрямую коррелируют с износостойкостью и комфортностью тканей и трикотажных полотен [2]. В последние десятилетия хлопково-полиэстеровые смеси стали одними из наиболее распространённых в мировом текстильном производстве, поскольку позволяют сочетать гигиенические достоинства натурального хлопкового волокна с механическими преимуществами синтетического полиэстера.

Хлопковое волокно, состоящее преимущественно из целлюлозы (90–96%), обладает высокой гигроскопичностью (стандартная влажность 8,5%), мягкостью, гипоаллергенностью и биологической разлагаемостью [3]. Вместе с тем оно уступает синтетическим волокнам по прочности и стойкости к истиранию. Полиэстеровое волокно (полиэтилентерефталат, ПЭТ), напротив, характеризуется высокой разрывной прочностью (40–60 сН/текс для элементарных нитей), низким влагопоглощением (0,2–0,4%) и высокой устойчивостью к механическим воздействиям [4]. Смешение этих волокон в различных пропорциях позволяет управлять комплексом потребительских и технологических свойств пряжи.

При смешивании хлопковых и полиэфирных волокон происходит формирование новой структуры пряжи, свойства которой отличаются от свойств каждого компонента в отдельности. Повышенная прочность полиэфирных волокон способствует более эффективному восприятию растягивающих нагрузок и снижает вероятность разрушения пряжи. В результате происходит увеличение разрывной нагрузки и удельной прочности смесовой пряжи [5].

Согласно теории распределения нагрузки между волокнами, прочность пряжи зависит от количества волокон, одновременно участвующих в восприятии внешнего усилия. Чем выше прочность отдельных волокон и чем равномернее они распределены в структуре пряжи, тем выше общий уровень прочностных характеристик готового продукта.

Удельная разрывная нагрузка позволяет объективно сравнивать различные виды пряжи независимо от их линейной плотности.

Другим важным показателем является относительное удлинение при разрыве, характеризующее способность пряжи воспринимать деформации без разрушения. Увеличение содержания полиэстерового волокна может способствовать росту относительного удлинения при разрыве отдельных волокон и нитей, однако итоговое значение данного показателя для пряжи зависит также от структуры, коэффициента крутки, распределения волокон и условий формирования пряжи.

Важной комплексной характеристикой является работа разрыва, которая отражает количество энергии, необходимое для разрушения пряжи. Чем выше значение разрывной работы, тем большей эксплуатационной надёжностью обладает материал. Для текстильных изделий, подвергающихся многократным механическим нагрузкам, данный показатель имеет особое значение.

Помимо прочностных характеристик большое влияние на качество изделий оказывают гигиенические свойства материалов. Основным показателем в данном случае является гигроскопичность, определяемая способностью волокон поглощать влагу из окружающей среды. Для хлопкового волокна данный показатель достигает 8–10 %, тогда как для полиэстерового волокна он не превышает 0,4–0,6 %. Вследствие этого увеличение содержания полиэстера в составе пряжи приводит к закономерному снижению влагопоглощения.

В процессе эксплуатации текстильных изделий важную роль играет также стойкость к истиранию. Данный показатель характеризует способность материала сохранять свои свойства при многократном механическом воздействии. Высокая износостойкость полиэфирных волокон способствует значительному увеличению срока службы изделий из хлопкополиэфирной пряжи по сравнению с изделиями из чистого хлопка.

Таким образом, анализ теоретических предпосылок показывает, что изменение соотношения хлопковых и полиэфирных волокон оказывает комплексное влияние на свойства пряжи. Увеличение содержания полиэфира способствует росту прочности, удлинения при разрыве и стойкости к истиранию, однако сопровождается снижением гигроскопичности и комфортности изделий. Поэтому определение рационального волокнистого состава является важной задачей при проектировании современных видов пряжи и текстильных материалов.

Экспериментальная часть.

Исходя из вышеуказанного было проведено экспериментальное исследование влияния волокнистого состава на обрывность и качественные показатели пряжи.

Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях кафедры «Технология шелка и прядения» при Ташкентском институте текстильной и легкой промышленности.

Оценка влияния волокнистого состава смеси на процесс формирования пряжи и на её качество проводилась при выработке пряжи линейной плотности 20 текс на кольцепрядильной машине Zinser 350.

В качестве объектов исследования использовались следующие виды пряжи: 100 % хлопковая пряжа; смесовая пряжа хлопок/полиэстер 85/15; смесовая пряжа хлопок/полиэстер 70/30.

Испытания на разрыв проводились на приборе TEXTECHNO STATIMAT ME в соответствии с требованиями стандарта ISO 2062. Длина испытываемого участка составляла 500 мм, скорость перемещения зажимов – 500 мм/мин, предварительное натяжение – 0,5 сН/текс.

Для каждого варианта было выполнено десять испытаний.

Крутка определялась на приборе Auto Twist Counter (ATC). В ходе испытаний регистрировались следующие показатели: разрывная нагрузка (сН); удельная разрывная нагрузка (сН/текс); удлинение при разрыве (%); работа разрыва (сН·см). Дополнительно оценивались гигроскопичность, стойкость к истиранию, склонность к статической электризации.

Результаты исследования.  В таблице 1 приведены результаты 10 испытаний хлопок/полиэстеровой пряжи 85/15 на установке STATIMAT ME [6-8].

Таблица 1. Результаты испытаний на растяжение смесовой пряжи 85/15

В таблице 2 приведены результаты 10 испытаний пряжи 70/30 на установке STATIMAT ME.

Таблица 2. Результаты испытаний на растяжение смесовой пряжи 70/30

В таблице 3 приведены результаты 10 испытаний 100 % хлопковой пряжи на установке STATIMAT ME.

Таблица 3. Результаты испытаний на растяжение 100 % хлопковой пряжи

В таблице 4 представлено комплексное сравнение физических и механических показателей исследованных образцов пряжи.

Таблица 4. Физическое-механические свойства пряжи различного волокнистого состава

Анализ и обсуждение результатов

Из таблицы 3 видно, что смесовая пряжа 85/15 имеет наивысшую прочность (13,03 сН/текс), что на 4,2% выше 100% хлопка и на 88,6% выше смесовой пряжи 70/30. Это нелинейное соотношение объясняется разрывным характером распределения нагрузок в смеси хлопок–полиэстер при 70/30: при данном составе и стандартном кручении волокна разрушаются непоследовательно, что снижает реализуемую прочность. Добавление 15% полиэстера к хлопку при соотношении 85/15, напротив, создаёт армирующий эффект без существенного нарушения однородности деформирования, что объясняет прирост прочности.

Работа разрыва при 20 текс для пряжи 85/15 (314,10 сН·см) значительно превышает показатели как 70/30 (176,90 сН·см, − 43,7%), так и 100% хлопка (127,5 сН·см − 59,4%). Высокая работа разрыва при умеренном удлинении (4,17%) свидетельствует о высоком уровне нагрузки при разрыве, а не о пластичности материала – что является следствием именно повышенной прочности пряжи 85/15.

Удлинение при разрыве для обоих смесовых образцов (4,17– 4,25%) ниже чистого хлопка, что ограничивает их применение в высокоэластичных изделиях. CV% по удлинению для смесовых образцов (7,16 – 7,80%) ниже ожидаемого для 100% хлопка (11%), что указывает на более предсказуемое деформационное поведение.  На первый взгляд полученные результаты противоречат общепринятому представлению о том, что полиэстеровые волокна обладают более высоким удлинением при разрыве по сравнению с хлопковыми. Однако следует учитывать, что механические свойства пряжи определяются не только свойствами отдельных волокон, но и особенностями их взаимодействия в структуре пряжи. В исследованных образцах линейной плотности 20 текс введение полиэстеровых волокон сопровождалось увеличением плотности расположения волокон и межволоконного трения в структуре пряжи. При растяжении часть деформации, характерной для отдельных полиэстеровых волокон, ограничивается связями между волокнами и действием крутки. В результате способность пряжи к суммарному удлинению уменьшается, несмотря на более высокую эластичность полиэстера как отдельного компонента. Следовательно, для исследуемых составов определяющее влияние на показатель удлинения оказали структурные факторы формирования пряжи, а не деформационные свойства отдельных волокон.

Коэффициент вариации прочности (CV%) составил 13,71% для пряжи 85/15 и 14,14% для 70/30. Согласно классификации по ГОСТ 6611.2-73, CV%<10% соответствует высокой однородности, 10–15%- удовлетворительной, >15% - пониженной. Оба образца находятся в зоне удовлетворительной однородности, что допустимо для производственной пряжи, однако свидетельствует о наличии резервов для повышения стабильности прядильного процесса.

Заключение

 В настоящем исследовании выполнен сравнительный анализ физико-механических свойств пряжи трёх волокнистых составов.

Установлено, что пряжа 85/15 обладает наивысшей удельной разрывной прочностью и разрывной работой, превышая показатели 100% хлопковой пряжи, что определяет её как наиболее универсальный вариант для одёжного текстиля.

Пряжа 70/30, несмотря на более высокое содержание полиэстерового волокна, показала нелинейное снижение прочности, что обусловлено особенностями деформирования смешанной волокнистой системы. Однако более высокое содержание полиэстерового волокна в пряже состава 70/30 способствует повышению стабильности свойств материала и расширяет возможности её применения в изделиях, к которым предъявляются повышенные требования по сохранению формы и эксплуатационной надёжности.

Коэффициент вариации прочности обоих смесовых образцов соответствует зоне удовлетворительной однородности, плотность кручения (717,05 кр/м, CV = 2,9%) отвечает требованиям стандарта.

При этом для обоих смесовых составов (85/15 и 70/30) наблюдалось снижение относительного удлинения при разрыве по сравнению со 100%-ной хлопковой пряжей. Данный эффект объясняется особенностями структуры смесовой пряжи, увеличением плотности упаковки волокон и межволоконного трения, ограничивающими возможность перераспределения волокон в процессе растяжения.

Перспективы дальнейших исследований включают: изучение влияния коэффициента крутки на прочность смесовой пряжи 70/30 с целью повышения реализуемой прочности; анализ микроструктуры поперечного сечения смесовой пряжи методами электронной микроскопии; исследование усталостных характеристик (многоцикловое нагружение) для оценки долговечности при эксплуатационных нагрузках; а также расширение диапазона составов (60/40, 50/50) для построения полной кривой зависимости прочности от состава.

Список литературы:

1. Morton, W. and Hearle, J. (2008) Physical Properties of Textile Fibres. 4th Edition, Woodhead Publishing, Cambridge, 163-167.
2. Файзуллаев Ш. Р., Махкамова Ш. Ф. Исследование влияния долевого содержания компонентов в смеси на пороки внешнего вида хлопко-полиэстеровой пряжи //Universum: технические науки. 2021. №. 4-3 (85). – С. 14-16.
3. Валиева З. Ф., Махкамова Ш. Ф., Ражапов О. О. Влияние волокнистого состава на физико-механические показатели трикотажных полотен // Universum: технические науки. 2020. №1 (70).
4. J.Arabov, Q.G‘ofurov, O.Rajapov The effect of emulsification of chemical fiber on the properties of yarn // Textile Journal of Uzbekistan, 2020.
5.  Ражапов О.О., Гафуров К.Г., Арабов Ж.С. Условия получения равномерной смеси из хлопко-нитронового волокна с минимальной неравномерностью смешивания // Universum: технические науки. 2020. №11(80)
6. ISO 2062:2009. Textiles — Yarns from packages — Determination of single-end breaking force and elongation at break using constant rate of extension (CRE) tester. — Geneva: ISO, 2009.
7. ГОСТ 6611.2-73. Нити текстильные. Методы определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве. — М.: Стандартинформ, 1973.
8. TEXTECHNO Herbert Stein GmbH & Co. KG. STATIMAT ME Standard Tensile Test Report. Ref. No 152, 27.04.2026. — Mönchengladbach: Textechno, 2026.

References:

1. Valieva Z.F., Makhkamova Sh. F., Razhapov O.O. [The Effect of Fiber Composition on the Physicomechanical Properties of Knitted Fabrics] // Universum: tekhnicheskie nauki. – 2020. – № 1 (In Russ.)
2. [Textile Yarns. Methods for Determining Breaking Load and Elongation at Break]. – M.: Standartinform, 1973 (In Russ.)
3. Ражапов О.О., Гафуров К.Г., Арабов Ж.С. [J.Arabov, Q.G'ofurov, O.Rajapov The effect of emulsification of chemical fiber on the properties of yarn] // Textile Journal of Uzbekistan,. – 2020. – № 11 (In Russ.)
4. Fajzullaev Sh. R., Makhkamova Sh. F. [Investigation of the Effect of Component Ratio in the Blend on Appearance Defects of Cotton-Polyester Yarn] // Universum: tekhnicheskie nauki. 2021. №. 4 – 3 (85). – 2021. – S. 14–16 (In Russ.)
5. ISO 2062:2009. Textiles – Yarns from packages – Determination of single-end breaking force and elongation at break using constant rate of extension (CRE) tester. – Geneva: ISO, 2009. Geneva: ISO, 2009.
6. Morton, W. and Hearle, J. (2008) Physical Properties of Textile Fibres. 4th Edition, Woodhead Publishing, Cambridge, 163 – 167.
7. TEXTECHNO Herbert Stein GmbH & Co. KG. STATIMAT ME Standard Tensile Test Report. Ref. No 152, 27.04.2026. – Mönchengladbach: Textechno, 2026. Мюнхенгладбах: Textechno Herbert Stein GmbH & Co. KG, 2026.
8. Arabov J., G‘ofurov Q., Rajapov O. The effect of emulsification of chemical fiber on the properties of yarn // Textile Journal of Uzbekistan. — 2020.