Aнализ деформационных свойств высокоэластичных трикотажных полотен для проектирования спортивных одежды

В процессе эксплуатации спортивная одежда испытывает разнообразные воздействия со стороны тела человека (многократно повторяющееся растяжение, воздействие влаги и тепла), которые, в силу их различной интенсивности на отдельных участках, необратимо изменяют форму поверхности одежды, что приводит к потере внешнего вида. Обычно материалы деформируются в результате воздействия усилий, величины которых значительно меньше разрывных. При эксплуатации спортивных трикотажных изделий напряжение от растяжения трикотажа составляет около 0,65–4,0 кПа [7]. При эксплуатации плотно облегающей одежды растяжимый материал повторяет неоднородный характер деформации кожного покрова, накапливает остаточные деформации в наиболее подвижных местах. Таким образом, в отличие от статической нагрузки, с ростом растяжимости материала происходит увеличение доли остаточных деформаций на отдельных участках плотно облегающей одежды, расшатывание структуры материала, что приводит к его ослаблению, изменению размеров и формы материала, ухудшению его внешнего вида. Поэтому основным фактором изменения формы и размеров одежды является накопление циклической остаточной деформации, изменение плотности трикотажа вследствие изменения толщины полотна и образования вздутия на отдельных высоконагруженных участках одежды (в области локтя, колена и др.).

Изучение получаемых при испытаниях в цикле нагрузка – разгрузка – релаксация характеристик механических свойств трикотажных полотен представляет большой интерес. Результаты подобных исследований могут использоваться при конструировании деталей одежды, её изготовлении, разработке новых материалов с улучшенными свойствами.

Растяжимость материалов учитывается при проектировании изделий из них. Так, при изготовлении плотно облегающего изделия из материалов c высокой растяжимостью детали выкраиваются меньшего размера, чем из материалов с меньшей растяжимостью. При этом соблюдается требование сохранения условий для нормального кровообращения и других физиологических процессов в организме человека. Предельно допустимая величина давления на тело человека не должна превышать 1330–2000 Па, на участке плотного облегания давление на тело прямо пропорционально напряжению (σ), возникающему в полотне при растяжении в поперечном направлении, и обратно пропорционально радиусу кривизны (R) контура поперечного сечения изделия. Таким образом, при равном нагружении (равной отрицательной прибавке) давление на тело полотен, обладающих разной растяжимостью, различно [6].

При проектировании изделий бытового назначения из эластомерных полотен в качестве исходных данных берутся величины растяжения изделия в носке. Растяжение элементов одежды при движении составляет в области плеч 13–16 %, в области колен и локтей – 35–45 %, в области бедер – 25–30 % [6].

Эти данные используются при проектировании плотно облегающих изделий из высокорастяжимых полотен и определении величин отрицательных прибавок по различным участкам изделия. Для каждого вида трикотажного полотна в зависимости от его растяжимости устанавливаются оптимальные величины отрицательных прибавок. При этом величина общей деформации трикотажного полотна в изделии (ε_изд.) на конкретном участке определяется как сумма отрицательной конструктивной прибавки (ε(к.п.)) и деформации полотна (ε_д.п.) наибольшим динамическим приростам по формуле:

                                                                   (1)

Максимальное компрессионное давление, создаваемое трикотажной оболочкой на мягкие ткани тела под одеждой, должно быть рассчитано с учетом общей деформации (ε_изд.) и эквивалентности величин прибавки и динамического прироста растяжению материала. Поэтому величина конструктивной прибавки, вызывающая соответствующее растяжение материала, может быть уменьшена на величину максимального динамического прироста размерного признака.

Таким образом, реальные условия эксплуатации изделий из высокорастяжимых полотен характеризуются тем, что полотна во время носки изделия могут находиться в деформированном (растянутом) состоянии. Релаксационные процессы в текстильных материалах наблюдаются при всех видах воздействий на материал (растяжение, изгиб, сжатие и др.) и являются их характерной особенностью. Эти процессы в текстильных материалах оказывают большое влияние как на качество изготовления, так и на эксплуатацию швейных изделий.

Наименее изученной и представляющей большой интерес является релаксация деформации материала при действии на него постоянной нагрузки меньше разрывной.

Многие отечественные и зарубежные исследователи занимались изучением деформационных свойств высокоэластичных материалов для спортивной одежды [5]. В этой области накоплены значительные теоретические знания и практический опыт. Однако релаксационные показатели новых эластичных материалов при многоцикловых небольших нагрузках недостаточно изучены.

Исследования трикотажных полотен, отличающихся соотношением лайкры в составе, показали, что растяжимость материала может возникать за счет структуры и свойств эластановых волокон, параметров петельной структуры, переплетения и способов производства трикотажа [4].

Для оценки новых высокоэластичных трикотажных полотен, производимых на отечественных трикотажных предприятиях, в Ташкентском институте текстильной и легкой промышленности на кафедре конструирования и технологии швейного производства были проведены исследования по установлению растяжимости высокоэластичных полотен, используемых при производстве спортивной одежды.

Для эластичных полотен рекомендуется определять деформационные свойства, в том числе растяжимость при малой (7,8 Н) и средней эксплуатационной нагрузке (11,8–22,5 Н) [1].

Известно, что максимальное значение экспериментальной величины относительной прочности при движениях (сгибаниях, приседаниях и др.) не превышает 0,7–0,8 мН/текс, и при непродолжительном пребывании тела человека в согнутом положении такая относительная прочность нитей в материале не вызывает неудобств. Этот показатель принят в качестве исходной для определения эксплуатационной нагрузки при установлении показателя растяжимости высокоэластичных полотен.

Для испытаний были отобраны образцы высокоэластичных трикотажных полотен кругловязаных переплетений с вложением полиуретановой нити «лайкра», наиболее широко применяемой в настоящее время для изготовления спортивной одежды. Основные характеристики полотен представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Характеристики кругловязаных трикотажных полотен

Для вычисления эксплуатационной нагрузки Р воспользуемся известной зависимостью [6]:

                                                                    (2)

где σ – относительная прочность (относительная разрывная нагрузка), Н/текс;

Т – суммарная линейная плотность образца материала, текс.

Суммарная линейная плотность образца трикотажного полотна Т складывается из величин линейных плотностей n-го количества нитей, его составляющих:

                                                            (3)

Как известно, линейная плотность характеризуется следующей зависимостью:

                                                                                               (4)

где m – масса нити, г;

L – длина нити, км [7].

Поскольку длина нити – величина постоянная, равная длине образца полотна, то:

                                                            (5)

где M – масса образца.

По зависимости (5) определены значения максимальной эксплуатационной нагрузки для каждого вида полотна (табл. 2).

По найденным значениям Р для каждого вида полотна в соответствии с рекомендациями [1, 2] определены стандартные показатели, характеризующие деформационные свойства полотен при нагрузках меньше разрывных: растяжимость, эластичность и остаточная деформация. 

Таблица 2.

Расчет эксплуатационной нагрузки для испытаний высокоэластичных кругловязаных полотен на растяжение при нагрузках меньше разрывных

Испытания проводились на стандартной методике [1], разработанной для определения растяжимости полотен, используемых для изготовления облегающих изделий. При этом фиксировались значения удлинения не только при конечном значении нагрузки, но и при промежуточном с интервалом 2 Н для построения диаграмм растяжения.

Растяжимость (ε_р, %) определялась по формуле:

                                                                         (6)

где L₁ – длина пробы в нагруженном состоянии, мм;

L₀ – длина пробы до испытаний, мм.

Эластичность (Э, %) определялась по формуле:

                                                                (7)

где L₂ – длина пробы сразу после разгрузки, мм.

Остаточная (необратимая) деформация (ε_ост, %) определялась по формуле:

                                                                          (8)

где L₃ – длина пробы после «отдыха».

Результаты испытаний основовязаных трикотажных полотен сведены в табл. 3.

Таблица 3.

Результаты испытаний образцов основовязаных трикотажных полотен на растяжение при нагрузках меньше разрывных

Как видно из таблицы, значения растяжимости исследуемых полотен варьируются в пределах 40–101%. Причем некоторые образцы имеют большую растяжимость вдоль петельных столбиков. Однако, исходя из требований плотного облегания изделия по ширине, во внимание принимались значения растяжимости трикотажных полотен вдоль петельных рядов.

Эластичность всех исследуемых полотен превышает 86% даже в поперечном направлении и составляет в среднем 90,5–91,2%.

Величины остаточных деформаций достаточно малы и не превышают 3–4%, поэтому ими можно пренебречь и не учитывать при построении конструкции.

Анализ диаграмм растяжения и полученных величин растяжимости позволил ориентировочно разделить полотна на 3 группы (табл. 4).

Таблица 4.

Группы растяжимости основовязаных трикотажных полотен

Полученные значения дают основание новые полотна с содержанием лайкры отнести к эластич­ным и малоэластичным.

С целью подтверждения полученных выводов по аналогичной методике были изучены деформа­ционные свойства высокоэластичных полотен, отличающихся от ранее исследованных способом производства, видом переплетения нитей и т. п. Для проведения эксперимента были взяты как основовязаные, так и поперечновязаные полотна, выработанные из полиамидных и полиэфирных текстурированных нитей, в том числе с вложением эластановых волокон и нитей типа «лайкра» и «спандекс», а также поперечновязаные полотна из хлопчатобумажной и хлопкополиэфирной пряжи с вложением полиуретановых нитей. Результаты проведенных исследований растяжимости, эластичности и остаточной деформации указанных материалов позволили подтвердить ранее сделанные выводы и предположения.