Научно-практические основы проектирования технологии изготовления обуви с верхом из войлоков и войлокоподобных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Леденева Ирина Николаевна

• Леденева Ирина Николаевна
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Леденева Ирина Николаевна

ВВЕДЕНИЕ

СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ГЛАВА 1. ФОРМОУСТОЙЧИВОЙ ОБУВИ ИЗ ВОЙЛОКОВ И

ВОЙЛОКОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Современные подходы к решению проблемы

формоустойчивости войлочной обуви

1.2. Способы направленной модификации текстильных матриц

Современные представления о способах формостабилизации

обуви

Разработка концепции проектирования технологии

1

изготовления обуви

Выводы по главе

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ГЛАВА 2. ВОЙЛОКОВ И ВОЙЛОКОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ

ПРОИЗВОДСТВА ОБУВИ

Характеристика войлоков и войлокоподобных материалов для

2

производства обуви

Анализ морфологии и анизотропии валяльно-войлочных

2

материалов

Исследование свойств валяльно-войлочных материалов для

2

обуви

Выводы по главе

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ТЕКСТИЛЬНЫХ ГЛАВА 3. МАТРИЦ ВОЙЛОКОВ И ВОЙЛОКОПОДОБНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Исследование и анализ свойств модифицированных войлоков и

3

войлокоподобных материалов

Оценка свойств исследуемых материалов при нормальных

3

условиях

3

3

Оценка свойств исследуемых материалов в условиях

воздействия агрессивных сред

Оптимизация технологии гидрофобной обработки верха обуви

из войлоков и войлокоподобных материалов

Выводы по главе

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ВОЙЛОЧНОЙ ГЛАВА 4. ОБУВИ С УЛУЧШЕННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ

СВОЙСТВАМИ

Экспериментальные и производственные исследования швов,

4

скрепляющих детали верха обуви

4.1.1. Методика оценки свойств соединений деталей верха обуви

Апробация методики оценки свойств ниточных соединений

деталей верха обуви из войлока

Разработка способа герметизации ниточных швов,

соединяющих детали верха обуви

Моделирование технологических параметров ниточной сборки

заготовки верха обуви из войлока

Апробация методики оценки свойств безниточных соединений

деталей верха обуви из войлока

Моделирование технологических параметров безниточной

сборки заготовки верха обуви

Теоретические и экспериментальные исследования

формоустойчивости обуви из тонких войлоков

Оценка формоустойчивости верха обуви в разных условиях эксплуатации

4.2.2. Разработка способа повышения формоустойчивости обуви

Имитационное моделирование технологического процесса

4

формования заготовок верха обуви

Исследование и оценка прочности соединения 3 Б-деталей с

4.2.4. наружными деталями верха обуви из тонкого войлока

4

4

4

4

4

4

4

Разработка метода применения каркасных 3 Б-деталей для

4

повышения формоустойчивости обуви из тонкого войлока

Выводы по главе

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ ЭСТЕТИЧЕСКИХ

ГЛАВА

СВОЙСТВ ВОЙЛОЧНОЙ ОБУВИ

Исследование и анализ свойств войлочной обуви,

5

декорированной физико-химическим способом

Методика прогнозирования гигиенических свойств войлочной

обуви, декорированной физико-химическим способом

Исследование и анализ свойств войлочной обуви,

5

декорированной физико-механическим способом

Компромиссный подход для выбора оптимального

5.4. технологического режима декорирования верха обуви

бесконтактной лазерной пирографией

Выводы по главе

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ГЛАВА 6. ОБУВИ С ВЕРХОМ ИЗ ВОЙЛОКОВ И

ВОЙЛОКОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Разработка концептуальной цифровой технологической среды

6

производства обуви

Программная реализация цифровой технологической среды

6

производства обуви

Технологии изготовления обуви из валяльно-войлочных

6

материалов с улучшенными потребительскими свойствами

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Сведения об исследованных материалах и шифрах,

используемых в работе

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. База данных исследования свойств заготовки верха обуви... 440 ПРИЛОЖЕНИЕ В. База данных исследования свойств декорированной обуви

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Методика проведения испытаний по оценке потерь тепла с

помощью тепловизора

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Технические условия

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Акты внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно-практические основы проектирования технологии изготовления обуви с верхом из войлоков и войлокоподобных материалов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одной из целей промышленной политики Российской Федерации является формирование высокотехнологичных, конкурентоспособных производств, обеспечивающих переход экономики от экспортно -сырьевого к инновационному типу развития, что, в частности, для обувной отрасли легкой промышленности предполагает удовлетворение все возрастающих потребностей населения в качественных и современных изделиях. Обувной рынок России является третьим по объемам производства и потребления вслед за рынками продуктов питания и одежды и демонстрирует устойчивую динамику наращивания емкости, которая, согласно данным маркетингового исследования «Рынок обуви (с видами) в России)» за 2022 год увеличилась на 7,6%. Основной ассортимент российского обувного производства включает обувь с верхом из кожи, как натуральной, так и синтетической, а также обувь с верхом из текстильных материалов, на которую приходится порядка 38% от общего объема производства. Это во многом связано с доступностью исходного сырья, климатическими условиями РФ, а также приверженностью к историческим, культурным и национальным традициям, в части производства и потребления войлочной затяжной обуви из натуральной шерсти и ее заменителей.

Натуральные войлоки, а также их искусственные и синтетические аналоги (войлокоподобные материалы) относятся к волокнисто пористым анизотропным материалам, которые характеризуются формой и размерами структурных элементов, состоящих из отдельных волокон разной степени извитости или пучков волокон разной плотности упаковки, объемом межволоконного пространства и др. Все это вызывает определенные трудности при их структурном анализе и требует применения как теоретических, так и численных методов моделирования и прогнозирования функциональных характеристик волокнистых материалов, которые, как правило, не укладываются в рамки классических законов механики, термомеханики и гидроаэродинамики сплошных сред. Химическая природа волокон и структурная организация войлоков и войлокоподобных материалов, с одной стороны, обеспечивают готовой продукции высокие паро- и воздухопроницаемость, теплоизоляционные свойства, а, с другой - сопряжены с существенной гигроскопичностью, низкой

влагоотдачей готовых изделий, что неприемлемо для обуви весенне-осеннего и зимнего ассортимента.

Из всех потенциальных вариантов нивелирования этих недостатков является возможность проведения направленной модификации текстильных матриц различными химическими соединениями, среди которых наибольший интерес представляют полимерные связующие в виде растворов и дисперсий, а также применение пакетных

и и и "1—г и

решений в качестве войлока и подкладки с мембраной в структуре. При дополнительной модификации, следует учитывать, что она, как правило, приводит к необходимости осмысления компромиссных задач, в числе которых: соблюдение баланса между исходными и прогнозируемыми структурными характеристиками и свойствами материала; оценка влияния методов модификации на проектирование технологического процесса производства обуви; возможность, применения традиционных и инновационных методов воздействия, с учетом способов отделки готовых изделий, потребительского спроса и модных тенденций и т.д.

Все вышеперечисленное определяет актуальность настоящей работы и позволяет квалифицировать ее как симбиоз научных и технологических подходов к обоснованному выбору волокнисто пористых материалов для проектирования и производства высококачественной обуви; детальный структурный анализ войлоков и войлокоподобных материалов с применением разнообразного инструментария; направленная модификация волокнисто пористых полотен различными полимерными составами для придания готовым изделиям необходимых эксплуатационных характеристик и специальных свойств; разработка научных подходов к проектированию обувных изделий из нового ассортимента войлоков и войлокоподобных материалов; исследование их поведения для реализации технологии обувного производства на таких операциях, как «сборка заготовок верха обуви», «формование», «отделка изделий»; определение функциональных характеристик волокнисто пористых композиционных материалов, в том числе с использованием нестандартных методов и современного математического моделирования. Таким образом, диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены новые научно обоснованные технические, технологические решения в области производства конкурентоспособных здоровьесберегающих обувных изделий из нового ассортимента войлоков и войлокоподобных материалов в условиях реализации политики

импортозамещения и развития цифровых технологий проектирования в легкой промышленности, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны.

Степень научной проработанности проблемы. Проблемами развития и совершенствования проектирования и производства обуви, в том числе с применением текстильных материалов, занимались Ю.П. Зыбин, В.А. Фукин, В.В. Костылева, Д.И. Анохин, А.Н. Калита, В.Л. Раяцкас, В.Е. Горбачик, Н.В. Бекк, П.С. Карабанов, А.Н. Буркин, В.Т. Прохоров, И.Р. Татарчук, В.М. Ключникова, Т.С. Кочеткова, К.И. Ченцова и др. Значительный вклад в изучение свойств нетканых текстильных материалов, в том числе войлока внесли российские и зарубежные ученые: Б.А. Бузов, А.П. Жихарев, В.Ю. Мишаков, Е.А. Кирсанова, К.Э. Разумеев, Ясинская Н.Н., Кузьмичев Ф.И., СеменоваА.Н., Мулюкина З.А., Фатхуллина А.М., Akta§ B. M., Aksakal В., Bao M.; Lou X.; Zhou Q., Dong W.; Yuan H.; Zhang Y., MäkeläМ.А., Laamanen Т., C. Little M. El-Sharif M. J. Hepher, Bereck K. R., и др. Методы моделирования и прогнозирования функциональных характеристик волокнистых материалов приведены в трудах В.П. Щербакова, М.В. Киселева, П.А. Севостьянова, В.А. Браславского, В.Б. Кленова, Л.И. Хейфеца, А.В. Неймара, Г.А. Аксельруда, М.А. Альтшулера, Л.М. Милн-Томсона, М. Маскета, А.Э. Шейдегера. Вопросы модификации нетканых волокнистых материалов рассмотрены в работах В.С. Белгородского, Э.Ф. Вознесенского, Л.М. Полухиной, К.Е. Перепелкина, Е.С. Боковой, Cha D.; Kim H.Y.; Lee K.H.; Jung Y.C.; Cho J.W.; Chun B.C., Gita N., Ramaswamy T. S., Weiying T., J. Meng, L. Song, J. Meng., J. Walczak, M. Chrzanowski, I. Kruci 'nska, Young-Ju Yeo, DongWon Jeon, Р.Г. Баладжан и др.

Несмотря на большое количество работ, посвященных обувной проблематике в контексте использования для деталей верха обуви войлока и войлокоподобных материалов, среди них практически отсутствуют комплексные исследования по разработке научно-обоснованных подходов и технологических решений, охватывающих всю производственную цепочку, начиная с исходного волокнистого сырья и, кончая выпуском готовой продукции, обладающей одновременно высокими эксплуатационными и эстетическими характеристиками.

Отличительной особенностью настоящей работы является разработка инновационных технических и технологических решений с использованием отечественного сырья и действующего производственного оборудования обувного и текстильного производств, что обеспечивает повышение эстетических и

эксплуатационных характеристик производимой продукции, а также реализацию политики импортозамещения в легкой промышленности.

Область исследования. Работа выполнена в соответствии с п. 1. «Инновационное развитие технологий первичной обработки и переработки волокон и производства нитей, материалов и изделий текстильной и легкой промышленности (ИТЛП)», п. 2. «Проектирование структуры и прогнозирование показателей свойств и качества волокон, нитей, материалов и ИТЛП», п. 3. «Технологии (в том числе, нанотехнологии) волокон, нитей, материалов и ИТЛП», п. 7. «Цифровое прогнозирование, математические методы, информационные технологии моделирования технологических процессов первичной обработки сырья, организации производства и изготовления волокон, нитей, материалов и изделий текстильной и легкой промышленности», п. 10. «Развитие теоретических основ проектирования и технологий переработки волокон, производства нитей, материалов и ИТЛП», п. 16. «Разработка методов моделирования и расчетного прогнозирования технологических процессов в условиях автоматизированного проектирования ИТЛП», п. 22. «Развитие теоретических основ и методов организации производства ИТЛП», п. 27. «Технологии и способы декорирования и реставрации материалов и ИТЛП» паспорта

и ^ /- 1 /- гр и и и

научной специальности 2.6.16 - Технология производства изделий текстильной и легкой промышленности.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является научное обоснование и создание основ проектирования технологии изготовления обуви с верхом из войлоков и войлокоподобных материалов, модифицированных полимерными связующими для удовлетворения потребностей населения конкурентоспособными изделиями с повышенными потребительскими характеристиками. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи [146]:

— создана база данных о волокнисто пористых материалах с анизотропной структурой, способах соединения деталей обуви из них, технологий декорирования и унификации технологических операций;

— разработана теоретическая механическая модель анизотропного волокнисто пористого материала для деталей верха обуви;

— предложены методы оценки качества обуви из анизотропных волокнисто пористых материалов, включающие разработку стандартов, позволяющих оценить комплекс потребительских характеристик;

— предложены полимерные композиции и способы их применения при модификации войлоков и войлокоподобных материалов для придания им водоупорности и формоустойчивости;

— изучена и описана морфология исходных и модифицированных войлоков и войлокоподобных материалов после воздействия агрессивных сред;

— проанализированы данные и статистические модели для определения влияния различных факторов на технологию сборки заготовок верха обуви из войлоков и войлокоподобных материалов ниточным и клеевым способами, оптимизированы технологические параметры изготовления изделий, отвечающих требуемым свойствам;

— установлено влияние технологических параметров ниточных и клеевых швов на потребительские свойства обуви;

— разработаны новые методы повышения формоустойчивости обуви, учитывающие особенности поведения анизотропных волокнисто пористых материалов в зависимости от структурных и технологических факторов;

— разработан алгоритм определения наиболее эффективных способов создания уникальных конструкций обуви с использованием технологий 3D-печати, специальных лазерных и красочных технологий для реализации сложного и выразительного дизайна на поверхностях деталей верха обуви из войлоков и войлокоподобных материалов;

— разработана концептуальная модель и алгоритм проектирования технологии изготовления обуви с верхом из войлоков и войлокоподобных материалов на основе выполненных исследований;

— предложены технологии изготовления обуви с верхом из войлоков и войлокоподобных материалов для разных потребителей в соответствии с ее назначением;

— изготовлены модели обуви из войлоков и войлокоподобных материалов с уникальными формами и декоративными элементами, соответствующими требованиям потребителей и модных тенденций.

Научная новизна работы.

— разработаны научно-технологические подходы к проектированию и производству обуви из войлоков и войлокоподобных материалов, содержащие обоснованный выбор исходных волокнисто пористых материалов, детальный анализ их структуры и показателей эксплуатационных свойств; способы направленной модификации

различными химическими составами, влияющими на комплекс показателей свойств готовых изделий;

— предложена новая экспериментальная методика анализа химической природы и свойств волокон, а также капиллярно-пористой структуры текстильных матриц одно- и двумерных волокнисто пористых анизотропных материалов верха обуви для прогнозирования возможности их модификации растворами и дисперсиями полимеров;

— научно обоснованы и сформулированы кинетические модели предварительной пропитки волокнисто пористых материалов, имеющих различные структуры и геометрические характеристики, модифицирующими составами (дисперсиями, растворами полимеров и красителями) для прогнозирования их поведения в меняющихся условиях обработки;

— разработана нестационарная динамическая модель прогнозирования деформационно-прочностных характеристик материалов с анизотропной структурой, дифференцирующая роли упругой, эластической и пластической составляющих деформации войлоков и войлокоподобных материалов в процессах производства и эксплуатации обуви;

— установлены оптимальные технологические параметры ниточных и клеевых способов сборки заготовки верха обуви из [266] предварительно модифицированных деталей при повышении тепломассопереноса в сложных анизотропных структурах волокнисто пористых материалов для обеспечения качественных показателей эксплуатационных свойств готовых изделий;

— предложены новые подходы к отделке обуви из войлоков и войлокоподобных материалов для «ассекурации» положительной динамики ее формоустойчивости, влагостойкости и эстетичности.

При этом впервые получены следующие научные результаты:

— обоснован выбор показателей качества обуви различного назначения, позволяющих оптимизировать технологические параметры процесса формования для повышения потребительских и эксплуатационных характеристик изделия;

— предложен компромиссный метод описания одно- и двумерных материалов с хаотической анизотропной структурой для верха обуви, учитывающий комплекс особенностей капиллярно-пористых структур, свойств волокон и структурных параметров, что позволяет оценить пористость волокнистых материалов в зависимости

от состава, структуры и свойств, а также прогнозировать их способность к пропитке различными составами;

— предложена нестационарная динамическая модель упорядоченного процесса, при котором часть энергии в нетканых материалах переходит в неупорядоченные остаточные механические свойства, что позволяет оценить влияние упругой, эластичной и пластической составляющих деформации на скорость и динамические характеристики деформирования войлока во времени и диссипацию внутренней энергии [194] при разработке технологий производства обуви с заданными свойствами;

— разработана новая экспериментальная методика, позволяющая повысить точность определения пористости традиционных и модифицированных волокнистых материалов с хаотической анизотропной структурой;

— сформулированы теоретические представления о кинетике пропитки и сушки материалов с хаотично анизотропной структурой для верха обуви растворами водных дисперсий, красителей и полимерных связующих различного состава;

— получены кинетические модели, учитывающие структуру и геометрические характеристики материалов, а также параметры нанесения полимерного связующего;

— разработаны методы проектирования оптимальных технологических параметров сборки заготовок верха обуви из [266] материалов хаотической анизотропной структуры ниточным и клеевым способами, позволяющие управлять процессом;

— описаны механизмы распределения деформаций, напряжений, трещинообразования и разрушений клеевого соединения при расслаивании с использованием теорий упругости и трещинообразования;

— с применением метода конечных элементов реализованы компьютерные модели динамики деформации элементов клеевого соединения и трещинообразования по длине деформируемой области клеевого соединения на основе анализа распределений составляющих тензоров деформаций и напряжений в объеме материала;

— предложено решение многокритериальной задачи оптимального технологического режима, основанное на Парето-компромиссных множествах и методе минимаксной оптимизации;

— предложен алгоритм проектирования новых технических решений, технологических параметров и оптимальных режимов для изготовления обуви повышенной формоустойчивости и эстетичности;

— представлено комплексное решение проблемы повышения формоустойчивости обуви из материалов хаотической структуры и внедрения эстетических, основанных на теории 3D-печати, инноваций.

Экспериментально установлены:

— зависимости физико-механических и функциональных свойств материалов хаотической структуры от ее морфологии и анизотропии, технологических режимов и составов полимерных связующих и красителей, позволяющие обеспечить высокие показатели качества готовых изделий;

— закономерности кинетики сушки войлоков и войлокоподобных материалов, в том числе, пропитанных полимерными композициями различного состава и привеса;

— отклонения от классической теории тепломассопереноса в сложных структурах, которые позволили предложить уточненные методики расчета технологических параметров соединения деталей обуви, учитывающих структуру, геометрические и тепловые свойства материалов верха, а также состав полимерного связующего;

— доказано сохранение оптимального внутриобувного микроклимата в условиях пониженных температур и агрессивных сред при совместном действии материалов хаотической анизотропной структуры и материалов с мембранным покрытием, что позволило предложить новые схемы формирования пакетов материалов с улучшенными свойствами;

— разработана аналитическая модель прогнозирования деформационных и прочностных свойств войлока и войлокоподобных материалов, устанавливающая влияние параметров нити и клеевого шва на физико-механические и функциональные свойства войлока при производстве обуви.

Теоретическая значимость исследования обоснована решением научной проблемы разработки нового подхода к технологии изготовления обуви из войлока и войлокоподобных материалов, основанного на анализе химических свойств и характеристик волокон, путем модификации волокнистой матрицы капиллярно-пористых структур различными жидкими составами, а также сформулированными теоретическими представлениями кинетики пропитки и сушки волокнистых пористых материалов с

анизотропной структурой дисперсиями, растворами полимеров и красителей, кинетическими моделями прогнозирования поведения композиционных материалов различных структур, геометрических характеристик под действием пропитки, сушки и условий обработки модифицирующими составами.

Практическая значимость заключается в разработке основ комплексного подхода к созданию технологии изготовления обуви из войлоков и войлокоподобных материалов, базы знаний по результатам исследования влияния различных факторов на параметры, обеспечивающие выполнение первостепенных требований к обуви из валяльно-войлочных материалов за счет обоснованного выбора их волокнистого состава, геометрических характеристик и технологических параметров производства изделия.

В результате проведенных исследований:

— разработаны технологии производства обуви из модифицированных валяльно-войлочных материалов с разными способами регулирования ее эстетических и эксплуатационных характеристик;

— предложены конструкция плоского многониточного соединения и технология герметизации швов заготовки верха обуви;

— рекомендованы конструкционный материал-регилин для повышения формоустойчивости бесподкладочной войлочной обуви и подкладочные материалы с мембраной в структуре, сохраняющие гигиенические свойства обуви из войлока и войлокоподобных материалов;

— составлены и утверждены технические условия (ТУ) на обувь повышенной формоустойчивости с верхом из войлока на подкладке из мембранных материалов [105]; обувь из войлоков и войлокоподобных материалов, декорированную шелкографией; обувь из войлоков и войлокоподобных материалов, декорированную пирографией; обувь из войлоков и войлокоподобных материалов с 3D-деталями;

— разработана и утверждена новая методика проведения испытаний по оценке теплопотерь материалов;

— теоретические и методологические положения работы использованы на обувных предприятиях Российской Федерации.

Результаты диссертационной работы внедрены на АО «Егорьевск-обувь» [231] (Московская область, г. Егорьевск); ООО «КурскОбувь» (Курская область, г. Курск); ЗАО МОФ «Парижская коммуна» (г. Москва); ООО «Ромер» (Калужская область, г. Калуга),

Модерам ПТК АО (г. Санкт-Петербург), которые свидетельствуют о состоятельности предлагаемых в диссертации решений; в учебном процессе ФГБОУ ВО «РГУ им. А.Н. Косыгина» бакалавров, магистров и аспирантов по направлениям подготовки кафедры художественного моделирования, конструирования и технологии изделий из кожи [266] в виде монографий, учебников, учебных пособий и методике проведения испытаний по оценке теплопотерь материалов.

Методология и методы исследования. При выполнении работы использованы теоретические и научно-практические основы технологии и конструирования изделий из кожи, основные положения теорий оптимизации, принятия решений и алгоритмизации, методы представления знаний, прикладной логики, инженерной психологии, стандартные методы и средства исследования свойств материалов, методы статистической обработки и структурирования данных, квалиметрии, автоматизации проектирования, визуализации информации, конструирования и моделирования геометрических объектов, прототипирования, экспертных оценок и социологических опросов, системно-аналитический подход, метод конечных элементов, теория трещинообразования, Парето-оптимальные подмножества, минимаксный метод оптимизации, теория 3Б-печати, теории сушки, пропитки и тепломассопереноса, а также современные информационные технологии. Информационно-теоретической базой диссертации послужили труды отечественных и зарубежных ученых в исследуемой и смежных областях, энциклопедическая и справочная литература. Обработку результатов проводили на ПК с использованием методов математической статистики, регрессионного и дисперсионного анализа. Оптимизацию параметров выполняли в программе Ма1ЬаЬ. Погрешность результатов оценена при доверительной вероятности 0,95.

Положения, выносимые на защиту:

— научно-технологические подходы к проектированию и производству обуви из войлоков и войлокоподобных материалов для разных потребителей в соответствии с ее назначением;

— концепция проектирования технологии изготовления обуви с верхом из войлоков и войлокоподобных материалов, позволяющая освоить цифровые компетенции, способствующие повышению конкурентоспособности и доступности изделий;

— новая экспериментальная методика анализа одномерных и двумерных волокнисто пористых анизотропных материалов для верха обуви, учитывающая химическую природу

и свойства волокон, а также капиллярно-пористую структуру текстильных матриц для прогнозирования возможности их модификации различными жидкими составами, включая растворы и дисперсии полимеров;

— нестационарная динамическая модель диссипации остаточной механической энергии нетканых материалов [194], учитывающая поведенческие характеристики процесса изготовления обуви и ее эксплуатации с учетом дифференцированной роли упругой, эластичной и пластической составляющих деформации войлока и войлокоподобных материалов;

— компромиссный метод описания одномерных и двумерных материалов хаотической анизотропной структуры для верха обуви, учитывающий их капиллярно-пористую структуру, комплекс свойств волокон и параметры строения, допускающий оценку изменения пористости волокнистого материала в зависимости от состава, структуры и свойств, а также прогнозирование их способности пропитываться различными составами;

— оптимальные технологические параметры ниточных и клеевых способов соединения деталей в процессах сборки заготовок верха обуви из волокнисто пористых материалов, с учетом особенностей тепломассопереноса в сложных анизотропных структурах, как необработанных, так и обработанных модифицирующими составами, обеспечивающие высокие показатели эксплуатационных свойств готовых изделий;

— подход и методы решения многокритериальной задачи для выбора оптимального технологического режима, основанного на Парето-компромиссных множествах и минимаксом методе оптимизации;

— экспериментально установленные зависимости физико-механических и функциональных свойств материалов хаотической структуры от ее морфологии и анизотропии, технологических режимов, составов полимерных связующих и красителей, гарантирующие высокие показатели качества готовых изделий.

Достоверность результатов проведенных исследований базируется на согласованности аналитических и экспериментальных результатов, использовании информационных технологий, современных методов и средств проведения экспериментов, подтверждается апробацией основных положений диссертации в научной периодической печати, на конференциях и в производстве, а также патентами и актами внедрения.

Апробация и внедрение результатов диссертации. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на в 2004-2023 гг. на международных и всероссийских научных конференциях: «Факторы, влияющие на качество одежды и обуви» (Radom, Politechniki Radomskiej, 2004), «Инновационные проекты» (Москва, МИФИ, 2006), «Innovations in clothes and footwear» (Radom, Politechniki Radomskiej, 2010), «Кожа и мех в XXI веке: технология, качество, экология, образование» [266] (Улан-Удэ, ВСГУТУ, 2012-2016), «Innovations in clothes and footwear» (Radom, Politechniki Radomskiej, 2012), «IV научный форум дизайнеров» (Москва, ВНИИТЭ, 2013), «Перспективы развития науки и образования» (Москва, АР-Консалт, 2013), «Первые международные Косыгинские чтения - 2017» (Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина, 2017), «Инновационное развитие легкой и текстильной промышленности» (Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина, 2018-2023), «Международный Косыгинский форум -2019» (Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина, 2019), «Дизайн, технологии и инновации в текстильной и легкой промышленности» (Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина [130], 2020), «Концепции в современном дизайне» (Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина, 2020-2022), «Фундаментальные и прикладные научные исследования в области инклюзивного дизайна и технологий: опыт, практика и перспективы» (Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина, 2021-2023), «Современные инновационные технологии в легкой промышленности: проблемы и решения» (Бухара, БИТИ, 2021), «Парадигмальные установки естественных и гуманитарных наук: междисциплинарный аспект» (Ростов-на-Дону, ИУБиП, 2021), «Наука и образование в условиях мировой нестабильности: проблемы, новые этапы развития» (Ростов-на-Дону, НИИ ДПО, 2022), «Актуальные проблемы экспертизы, технического регулирования и подтверждения соответствия продукции текстильной и легкой промышленности» (Москва [130], РГУ им. А.Н. Косыгина, 2023), «Текстильная и легкая промышленность - 2023» (Фергана, ФПИ, 2023), IV Международный Косыгинский форум «Проблемы инженерных наук: формирование технологического суверенитета» (Москва, РГУ им. А.Н. Косыгина, 2024) и других.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Леденева Ирина Николаевна, 2024 год

- - - -

30 - 15 -21,7 +4,5 +12,6

- - - -

Теплопроводность, ДХ 10 - 15 - - +1,1

- - - +1,7

30 - 15 - - +0,3

- - - +0,3

Гигроскопичность, ДГ 10 - 15 +4,7 +3,4 +2,4

- +6,9 +0,9 +5,3

30 - 15 +18,0 +20,6 +2,6

- +4,8 +4,5 +9,4

Жесткость, ДDи 10 - 15 +0,2 +0,5 +0,5

- +0 +0,3 +0,4

30 - 15 +0,2 +0,5 +0,1

- +0,2 +0,2 +0,7

Предел прочности, До 10 - 15 +0,25 +0,42 +0,4

- -1,45 +2,32 +1,6

30 - 15 +0,25 +1,88 +0,1

- +0,12 +0,92 0

т~ч и __и

В зависимости от вида воздействия незначительно меняется пористость войлока. Заметим, что у войлока обувного (В3) по мере увеличения концентрации реагента в растворе увеличивается показатель намокаемости, ситуация с другими образцами

неоднозначна. Чем выше концентрация соли в растворе, тем выше показатель теплопроводности. В образцах, которые были заморожены он значительно ниже, чем у проб, которые просто были выдержаны в растворах и затем высушены.

Показатели гигроскопичности образцов В2 и В1 растут после воздействия растворов СаС12. Обработка 30% раствором СаСЬ увеличивает показатели гигроскопичности в большей степени, чем после [231, 233, 239] его 10% раствора. Можно предположить, что на жесткость после различных видов обработки могли влиять пористость, плотность и волокнистый состав отдельных видов войлоков, а также их анизотропность. На микрофотографии (рис. 3.41) видно распределение реагента в структуре войлока.

а) б)

Рис. 3.41. Микрофотографии войлока, после воздействия реагента при увеличении: а) -

х500; б) - х100.

Образцы, подвергшиеся замораживанию после действия растворов, уменьшили показатели гигроскопичности по сравнению с образцами, не подвергшимися воздействию низких температур. Влияние растворов на гигроскопичность войлоков можно объяснить способностью хлорида кальция притягивать молекулы воды [231 ]. Обработка растворами хлорида кальция влияет на жесткость каждого вида войлока по-своему. При этом, частицы реагента осаждаются на волокнах в незначительных количествах (рис. 3.41, а), основная часть реагента в жидкой фазе распределена между волокнами, образуя пористые пленки. На предел прочности образцов В1, В2 и В3 обработка 10% и 30% СаСЬ с последующим замораживанием или без него особого влияния не оказывает. Результаты сравнения свойств войлока и кожи по критериям: изменение жесткости по сравнению с исходным образцом (ДDи, Н), изменение предела прочности по сравнению с исходным

образцом (АР*), изменение массы после воздействия растворов хлорида кальция 10% и 30% концентрации [231] (Аm) сведены в табл. 3.17.

Табл. 3.17. Влияние реагентов и пониженных температур на динамику показателей войлоков и кожи

Критерии сравнения Кожа 1 Кожа 2 В1 В2 В3

АDи, Н 10% Caa2 +71,43 +100 +51,72 +360 +38,75

30% Caa2 +161 * +62,06 +340 +101,26

АР* 10% Caa2 +6,66 0 +5,97 +6,40 +11,89

30% Caa2 +33,33 * +5,97 +28,66 -3,53

Аm 10% Caa2 +12 +10 - - -

30% Caa2 +14 +7 +68,11 +32,85 +14,56

* - Образцы не отобраны и не испытаны из-за сильного коробления.

Данные табл. 3.17 позволяют сделать вывод, что образец В3 по всем показателям незначительно уступает коже. Некоторые параметры В3 значительно лучше показателей обеих кож (жесткость). Образец В2 показал изменение предела прочности аналогичное кожам, но жесткость его выросла значительно и произошло изменение массы в два раза, превышающее показатель кож. Образец В1 ведет себя значительно лучше, чем кожи, кроме показателя изменения масс. Учитывая результаты этого сравнения, можно утверждать, что войлок В3 можно рекомендовать на детали верха обуви наравне с кожей [231].

Негативные последствия влияния внешних воздействующих факторов на обувную заготовку указывают на необходимость поверхностной модификации обувных войлоков либо до раскроя их на детали верха, либо на участке заключительной отделки готовой обуви. После гидрофобизации поверхность войлока приобретает эффект лотоса, как и у большинства обувных материалов.

3.2. Оптимизация технологии гидрофобной обработки верха обуви из валяльно-

войлочных материалов

Анализ нормативной документации по производству обуви с текстильным верхом показал, что операция «гидрофобизация верха обуви» отсутствует во всех этапах

технологического процесса: раскрой, сборка заготовки верха обуви, сборка обуви, заключительная отделка.

Для обоснованного включения данной операции в технологический процесс производства обуви с верхом из войлока нами разработаны требования к процессу гидрофобизации: безопасность; эффективность; простота исполнения. Эффективность гидрофобной обработки подтверждена нашими экспериментальными исследованиями. Операция гидрофобизации не требует высокой квалификации исполнителя, может выполняться работником 2-го разряда. Нами составлен перечень основных требований, предъявляемых к гидрофобизирующим препаратам лёгкой промышленности: нетоксичность; высокая гидрофобность; приемлемые после пропитки гигиенические свойства изделий; повышенная формоустойчивость материала после пропитки; сравнительная дешевизна препарата; высокая адгезия препарата к материалу. Для оптимизации процесса гидрофобной обработки [231, 236] обуви с верхом из войлока нами определена значимость факторов, влияющих на его намокаемость.

Табл. 3.18. Намокаемость войлоков

Шифр войлока Шифр гидрофобизатора Количество слоёв Намокаемость, Н, %

6 290,23 307,23 303,23

Г1 4 248,13 229,13 231,13

2 229,57 216,57 218,57

6 318,41 318,61 327,21

Вз Г2 4 259,50 245,50 246,50

2 239,34 230,34 233,34

6 317,14 317,21 327,00

Гз 4 254,44 241,34 246,24

2 221,64 220,24 212,54

6 382,84 392,84 384,84

Г1 4 348,67 341,17 347,17

2 293,47 302,87 305,07

6 368,28 373,78 365,78

В1 Г2 4 344,02 335,42 337,62

2 303,64 286,64 287,64

6 370,73 345,73 344,73

Гз 4 336,37 348,37 333,37

2 291,45 292,45 278,45

По полученным результатам нами исследовано влияние следующих факторов: вид войлока, вид гидрофобизатора, количество наносимых слоев. К исследованию были

приняты два вида войлока: обувной Вз и технический В2, три вида гидрофобизатора Г1, Г2 и Гз, 2, 4, 6 количество слоев. По каждому условию эксперимента проводили по три опыта (табл. 3.18). В выборке из п значений Х1, Х2...Хп некоторого измеренного количественного показателя, в данном случае - намокаемость каждому значению этого показателя поставлен в соответствие некоторый качественный признак (фактор), на основании которого общую выборку можно сгруппировать в частные независимые случайные выборки: если фактор А имеет к уровней А\, А2,..,Ак, то при каждом уровне Ау фактора,у = 1, .., к, имеется [231] щ измерений.

Табл. 3.19. Статистическая обработка результатов эксперимента

Вариант испытаний Кол-во испытаний Средняя намокаемость Нср, % Дисперсия намокаемости Среднеквадратичное отклонение

1 3 300,23 79,00 8,88

2 3 236,13 109,00 10,44

3 3 221,57 49,00 7,00

4 3 321,41 25,23 5,02

5 3 250,50 61,00 7,81

6 3 234,34 21,00 4,50

7 3 320,45 32,18 5,60

8 3 247,34 43,81 6,61

9 3 218,14 24,01 4,90

10 3 386,84 28,00 5,29

11 3 345,67 15,75 3,96

12 3 300,47 37,96 6,16

13 3 369,27 16,75 4,09

14 3 339,02 19,95 4,46

15 3 292,64 91,00 9,53

16 3 353,73 217,00 4,73

17 3 339,34 63,00 7,93

18 3 287,45 61,00 7,81

В целом 54 298,03 1104,06 52,41

Изучено влияние, которое оказывают на отклик три качественных признака -фактор А, который имеет к уровней (градаций) А1, .., Ак , фактор В на п уровнях Б\, .., Вп и фактор С на т уровнях С1, .., Ст. Для этого проверили гипотезу о принадлежности всех выборок одной генеральной совокупности [45]. Если нулевая гипотеза отвергается, то дается оценка степени влияния каждого фактора и их взаимодействий на исследуемый показатель [231]. Подвергнуто научному анализу качественное влияние того или иного фактора на количественный результат измерения в шкале наименований Вз, В2, Г1, Г2 и

т.п. Методика анализа заключается в разложении общей совокупности результатов наблюдения на частные вариации, обусловленные воздействием отдельных факторов и их комбинаций, на остаточную, обусловленную случайными причинами [45]. В табл. 3.19. представлены основные статистические характеристики по каждому варианту эксперимента [231].

На первом этапе проверяли гипотезу о принадлежности всех выборок к одной генеральной совокупности, т.е. выделенные факторы не оказывают значимого влияния на результирующий показатель. Результаты проверки нулевой гипотезы приведены в табл. 3.20 [231].

Табл. 3.20. Результаты проверки гипотезы

Вариация Сумма квадратов Степень свободы Дисперсия —факт. —табл. Влияние источников вариации, %

Количество:

повторений вариантов 242,91 143613,67 2 17 8447,86 164,47 2 0,16 98,63

Случайное 1746,37 34 51,36 - - 1,19

Общее 145602,95 53 - - - 100

Из табл. 3.20 видно, что на 5 % уровне значимости следует отвергнуть нулевую гипотезу об отсутствии влияния выделенных факторов. На 98,6% разброс обусловлен действием этих факторов и на 1,2% - неучтенных факторов. Для изучения характера влияния исследуемых качественных факторов и их взаимодействий на намокаемость войлока нами проведен трехфакторный дисперсионный анализ.

Табл. 3.21. Результаты трехфакторного дисперсионного анализа

Источник вариации Сумма квадратов Степень свободы Дисперсия —факт —табл Влияние факторов, %

Факторы: А 73562,0 1 73562,0 1432, 2 4,1 50,5

В 419,5 2 209,8 4,1 3,3 0,3

С 62516,0 2 31258,0 608,6 3,3 42,9

Взаимодействие

факторов: АВ 2155,0 2 1077,5 21,0 3,3 1,5

АС 3910,0 2 1955,0 38,1 3,3 2,7

ВС 229,0 4 57,3 1,1 2,6 0,2

АВС 822,7 4 205,7 4,0 2,6 0,6

Проверили гипотезы (фактор не влияет на намокаемость): вид войлока (А); вид гидрофобизатора (В); количество слоев (С); вид войлока + вид гидрофобизатора (АВ); вид войлока + количество слоев (АС); вид гидрофобизатора + количество слоев (ВС); вид войлока + вид гидрофобизатора + количество слоев (АВС). Результаты трехфакторного дисперсионного анализа приведены в табл. 3.21.

Отметим, что эффект взаимодействия факторов появляется каждый раз, когда одновременно варьируются два или более факторов и действие одного из них зависит от того уровня, на котором находится другой фактор. Например, взаимодействие «вид войлока + вид гидрофобизатора» служит мерой того, насколько влияние фактора «вид войлока» зависит от фактора «вид гидрофобизатора» и наоборот.

Математическая обработка экспериментальных данных показала, что наибольшее влияние на намокаемость и гигроскопичность оказывают вид войлока и количество слоев гидрофобизатора, а также взаимодействие этих двух факторов. Оптимальные значения показателей намокаемости и гигроскопичности достигаются при нанесении 2-х слоев гидрофобизаторов, нанесение гидрофобизаторов в 4 и 6 слоев снижает как показатель намокаемости, так и гигроскопичность войлоков [231]. По результатам исследований с применением методов математической статистики разработана методика повышения климатической устойчивости обуви из войлока, которая предполагает двукратную гидрофобную обработку на участке отделки обуви с верхом из войлока [231].

Выводы по главе

1. Установлено отсутствие разности в величинах истинной и кажущейся пористости для войлоков, свидетельствующее об отсутствии в них капилляров недоступных для заполнения водой.

2. Исследованы условия пропитки волокнистых материалов латексным связующим. Выбрана коагулирующая система и выявлены оптимальные условия коагуляции, обеспечивающие равномерность распределения латексного связующего в структуре войлоков и нетканых волокнистых основ.

3. Установлено, что применяемые водные дисперсии приводят к значительному увеличению прочности нетканых волокнистых основ и к некоторому увеличению прочности обувных войлоков.

4. Выявлен интерполимерный комплекс и способ его введения в волокнистые материалы, обеспечивающий оптимальный комплекс их гигиенических и физико-механических свойств.

5. На основе результатов микроскопического анализа установлено, что характер отложения гидрофобизаторов на поверхности волокон зависит не только от их морфологии, но и от вида гидрофобизатора. Фторсодержащие гидрофобизаторы заполняют микротрещины на поверхности волокна и отлагаются на его поверхности в виде пленки, латекс неравномерно распределяется по поверхности волокон в виде агломератов и частично заполняет объем свободного пространства.

6. Сопоставительный анализ морфологических, физико-механических и гигиенических свойств войлоков различного назначения показал возможность использования технических войлоков в качестве материалов верха обуви.

7. Исследования физико-механических свойств войлока показали, что гидрофобная [231] поверхностная обработка не влияет на предел прочности, жесткость войлоков и теплопроводность. Экспериментально подтверждено, что гидрофобизация не меняет структурные характеристики войлока [231]. Установлена взаимосвязь краевых углов смачивания, влагоемкости войлоков и содержания в их составе синтетических волокон.

8. Изучено влияние противогололедных реагентов на войлоки для верха обуви, показано повышение их климатической устойчивости после гидрофобизации. Установлено, что скорость сушки повышается после обработки войлока гидрофобизаторами [231].

9. Проведен сопоставительный анализ поведения кож и войлоков после воздействия 10% и 30% растворов хлорида кальция по следующим критериям: изменение жесткости по сравнению с исходным образцом, изменение предела прочности по сравнению с исходным образцом, изменения массы после воздействия 10% и 30% растворов хлорида кальция [231].

10. Выявили, что исходный войлок обладает так называемым эффектом «розовых лепестков», при котором капля жидкости вначале задерживается на поверхности, а затем войлок набухает и промокает, а после высыхания теряет эластичность, становится жестким. После гидрофобизации поверхность войлока приобретает эффект «лотоса», как и у большинства обувных материалов.

11. Негативные последствия влияния внешних воздействующих факторов на обувную заготовку указывают на необходимость поверхностной модификации обувных войлоков либо до раскроя их на детали верха, либо на участке заключительной отделки готовой обуви.

12. Установлено, что гидрофобные свойства войлоков зависят от вида волокон, входящих в его состав. Показано, что при увеличении доли синтетических волокон на 12% краевой угол [231] смачивания увеличивается на 14%. Наиболее эффективна гидрофобизация поверхности войлоков фторсодержащим силаном: краевые углы смачивания войлоков увеличиваются на 22-40%.

13. Изучено влияние противогололедных реагентов на физико-механические свойства войлоков различного назначения и показано, что гидрофобная [231] обработка повышает климатическую устойчивость обувных войлоков на 25 % и технических - на 15% [231].

14. С применением трехфакторного статистического анализа, выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на повышение [231] климатической устойчивости: вид войлока, количество модификатора. Разработана методика повышения климатической устойчивости обуви с верхом из войлока. Показана эффективность и перспективность внедрения предложенной методики при промышленной апробации результатов работы на действующих предприятиях обувной промышленности [231].

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ВОЙЛОЧНОЙ ОБУВИ С УЛУЧШЕННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ СВОЙСТВАМИ

4.1. Экспериментальные и производственные исследования швов, скрепляющих

детали верха обуви

Для сборки заготовок верха обуви применяют разнообразные ниточные швы в зависимости от их назначения, места расположения в заготовке и материала детали: настрочной, тачной, переметочный, выворотный, обметочный, декоративный, потайной, закрепочный и мокасиновый швы [41, 154, 171, 172]. Альтернативным способом соединения детали может быть безниточный: клеевой, клеесварной и сварной. При клеевом методе скрепления деталей применяют швы, соединяющие детали верха между собой; соединяющие наружные детали верха с подкладкой и для укрепления канта в бесподкладочной обуви [294]. Учитывая проблему потери тепла в обуви в области ниточных швов, в работе предложены несколько приемов улучшения теплофизических характеристик: герметизация ниточного шва, замена ниточного крепления клеевым, а также применения цельнокроеной заготовки верха обуви с имитацией строчек лазерной пирографией.

4.1.1. Методика оценки свойств соединений деталей верха обуви

В результате проведенных опытов получены деформационно-прочностные показатели, характеризующие прочность в стационарных условиях [73, 103, 121, 304]. До

и и 1 и и

сих пор нет общепринятой научно-обоснованной классификации показателей свойств, по которым можно с достоверностью охарактеризовать качество ниточного шва при сборке заготовки войлочной обуви. Изучение всего многообразия факторов и выявление закономерностей их взаимного влияния друг на друга является сложной задачей, решение которой имеет большую практическую ценность, так как от качества шва зависят эксплуатационные свойства обуви. Для получения первичной информации о показателях качества нами использован метод экспертного опроса.

Для разработки методики оценки свойств ниточных соединений нами учтено большое число единичных показателей. Их многообразие в значительной мере затрудняет проведение сравнительного анализа уровня качества ниточных соединений, поэтому

возникает необходимость в суммарной оценке и определении комплексного показателя качества, когда в одном показателе объединяется целый ряд наиболее важных, который позволяет оценивать уровень качества ниточных соединений, определять значимость каждого и прогнозировать качество, с учетом единичных показателей, определяющих количественно его свойства [158].

Предложенный комплексный показатель качества в отличие от дифференциального обеспечивает объективную оценку уровня качества и нацеливает предприятие на выпуск более конкурентоспособной обуви, наивысшей категории качества, что является целью современного производства. Для определения комплексного показателя нами установлены: перечень важнейших показателей физико-механических, гигиенических и других свойств, которые необходимо учитывать при оценке качества; весомость (значимость) отдельных показателей; комплексный показатель, учитывающий оценку механических, гигиенических и эксплуатационных свойств; сформулированы обоснованные рекомендации по выбору технологических параметров сборки заготовки обуви.

Разработанная методика оценки свойств ниточных соединений деталей верха обуви из войлока учитывает влияние как деформационно-прочностных, теплозащитных свойств [105] на качество обуви и долговечность ниточных швов, так и условия, имитирующие воздействие эксплуатационных факторов. Анализ факторов, влияющих на качество ниточного соединения при производстве и эксплуатации обуви при комплексном подходе к оценке их значимости, допускает прогнозирование свойств ниточных соединений деталей заготовки обуви из войлока на ранних стадиях производства.

Специалисты обувного производства, модельеры, конструкторы, технологи в количестве 120 человек выступили экспертами. Для обработки данных использованы методика и компьютерная программа, разработанные на кафедре материаловедения и товарной экспертизы РГУ им. А.Н. Косыгина. Полученные результаты представлены в табл. 4.1.

Табл. 4.1. Распределение значимости показателей физико-механических свойств, влияющих на качество ниточного соединения

Место Наименование свойства Сумма рангов Значимость

1 Разрывное усилие 350 10,5

2 Разрывное удлинение 286 9

3 Коэффициент теплопроводности 230 8,8

4 Термическое сопротивление 211 7,8

5 Водоупорность 111 6,7

6 Влагоемкость 105 6,3

7 Воздухопроницаемость 68 5,5

8 Паропроницаемость 55 4,6

9 Гигроскопичность 48 3,5

10 Жесткость 45 1,7

11 Пароемкость 43 1,6

В результате опроса экспертов выяснили, что существенное значение имеют следующие показатели, характеризующие качество ниточных соединений деталей из войлока: разрывное усилие, разрывное удлинение, коэффициент теплопроводности, термическое сопротивление. Было принято решение исследовать ниточные соединения на теплозащитные и деформационно-прочностные свойства. Разрывное усилие и разрывное удлинение являются важными стандартными показателями, и несоответствие показателей нормативам будет способствовать уменьшению долговечности, что является одним из признаков недоброкачественности ниточного соединения.

На основе анализа существующих методик оценки свойств ниточных соединений нами усовершенствована методика экспериментальной оценки свойств ниточных соединений заготовок верха обуви из войлока. Для этого она дополнена исследованиями поведения ниточных швов при длительном воздействии таких агрессивных факторов как вода, пот, щелочная среда, а также условия, имитирующие естественное старение.

Предполагается, что результаты исследования показателей искусственного старения в лабораторных условиях совпадут с показателями, полученными в условиях естественного старения. Современные лабораторные опыты дают ценную информацию для разработки технологических процессов сборки заготовки верха обуви из [147] новых материалов. В качестве объектов исследования нами выбран войлок В2. Для сборки верха войлочной обуви применили нитки армированные хлопчатобумажные 44 ЛХ и комплексные полиэфирные нитки 45 Л. В табл. 4.2. представлены показатели их физико-механических и химических свойств.

Табл. 4.2. Показатели физико-механических и химических свойств ниток

Наименование показателя нитки ГОСТ 6309-93

44 ЛХ 45 Л

Структура суровых ниток 21,5 текс х2 13,8 текс х3

Результирующая номинальная линейная плотность ниток, Тн, текс 45 45

Допускаемое относительное отклонение результирующей линейной плотности ниток ±5 ±8

Разрывная нагрузка нитки при испытании методом разрыва одной нити, сН, не менее 1620 2100

Разрывная нагрузка нитки при испытании методом разрыва одной нити, гс, не менее 1651 2138

Коэффициент вариации по разрывной нагрузке, %, не более 8 10

Удлинение при разрыве, %, не более 22 22

Нормированная влажность готовых ниток, % 3 8

Для проведения исследований нами задействованы следующие инструменты и оборудование: линейка измерительная ГОСТ 427-75, толщиномер типа ТР по ГОСТ 11358-89, эксикаторы по ГОСТ 23932-90, швейные машины кл. 491 PFAFF (Германия), выполняющую прямолинейные швы и JUKI MF-7723 (Япония) для многониточных плоскошовных соединений, разрывная машина РТ-250, дуговая ксеноновая лампа «Ксенон 4300К», имитирующая воздействия естественного старения; установки определения теплопроводности методом неограниченного плоского поля и температурно-временных интервалов.

Образцы проб - полоски размером 50х100 мм вырубали резаками вдоль направления к основной ориентации волокон войлока. Пробы по ширине соединялись тачным и тачным швом с расстрочкой, настрочным однорядным, настрочным двурядным и переметочным при частоте строчки 2, 4, 6 ст/см с расстоянием от края 0,6 мм и расстоянием между двумя строчками 2 мм нитками и 45ЛХ и 45 Л. При соединении деталей из войлока с учетом результатов ранее проведенных работ изменялись технологические параметры для выбора оптимальных значений. Испытания проведены с использованием стандартных методов и ГОСТ. Исследования реализованы по составленному нами алгоритму.

Для определения показателей деформационно-прочностных свойств при одноосном растяжении материала до разрыва использована стандартная методика. Испытания проводили на разрывных машинах Инстрон 4411 и РТ-250 со шкалой нагрузок до 250 кг при зажимной длине сшитой полоски образца 100 мм и скорости движения

нижнего зажима 180-200 мм/мин. Образец закреплялся в зажимах разрывной машины согласно ГОСТ 9290-76. При растяжении образца фиксировались усилие при разрыве Р (кН) и разрывное удлинение Ь (мм).

Образцы, подвергаемые искусственному старению, облучали светом ксеноновой дуговой лампы. Энергию излучения лампы пропускали через фильтр, формировавший спектральное распределение мощности, близкое к дневному свету. Каждый образец, который впоследствии испытывался на разрыв, размещался таким образом, чтобы контрольная зона, подвергающаяся испытанию, была обращена к лампе. Энергию излучения, падающего на плоскость в контрольной зоне, измеряли или вычисляли по данным, предоставленным изготовителем испытательного стенда. Продолжительность облучения регулировали таким образом, чтобы облучаемые образцы получили суммарную дозу 1 ГДж/м2 в диапазоне длин волн от 280 до 800 Нм.

Температуру испытаний измеряли стандартным термометром, находящимся на таком же расстоянии от лампы, что и облучаемые контрольные зоны образцов. Температура удерживалась на уровне (70 ± 3) °С. После чего на разрывной машине РТ-250 по стандартной методике устанавливали деформационно-прочностные свойства ниточных соединений. Кроме того, определены показатели усилий, необходимых для разрыва образца ниточного шва, и разрывного удлинения.

Потостойкость определялась после обработки образцов раствором искусственного пота (далее потом): хлористый натрий — 2 г/л, карбонат аммония — 0,8 г/л, двунатриевый фосфат — 0,2 г/л и мочевина — 24 г/л комнатной температуры. В соответствии со стандартными методиками, промежутки времени между замерами составляли каждые 50 часов, в течение 5-ти подходов.

Испытания ниточных соединений войлока на устойчивость к действию воды и щелочи образцы, сшитые разными швами, проводились по вышеописанной схеме. Для испытаний на устойчивость к действию воды образцов ниточных соединений войлока, обработанных герметиком также помещали в жидкую среду и каждые 50 часов вынимали, высушивали при нормальных условиях. Затем подвергали разрыву по стандартной методике. Изучена динамика процесса взаимодействия войлока с водой по оценке изменения разрывной нагрузки через каждые 50 часов пролежки начиная с 50 и до 250 часов. Образцы помещались в емкость с водой, а по истечении времени вынимали и высушивали при Т= 25 оС и относительной влажности воздуха Ш=20%. При испытании

на воздействие воды выявлено, что в образцах соединений независимо от его длительности разрушение происходит по материалу. Среднее значение рН составляло 810. Проведены испытания образцов, помещенных в растворы соответствующих концентраций при температуре Т=25оС и влажности W=55% в течение 250 часов. По истечении этого времени образцы промывались до показателей нейтральной среды, что определялось индикатором.

Проведение сравнительной оценки устойчивости ниточных соединений войлока при воздействии условий эксплуатации позволяет оценить влияние, оказываемое герметиком и определить оптимальные параметры технологического процесса сборки разных по конструкции, традиционно применяемых ниточных швов и многониточных плоскошовных соединений.

Для определения теплозащитных свойств нами исследованы теплопроводность и термическое сопротивление заготовок верха войлочной обуви. Теплопроводность определяли экспериментальными методом в стационарным режиме, при этом температура в данной точке тела во времени не менялась. Теплопроводность тел в стационарных условиях определялась, по дифференциальному уравнению теплопроводности Фурье, для тел простой геометрической формы при граничных условиях первого рода (8^8т = 0; Ът1 и Ът2 известны; t=f(х). Стационарные методы оценки теплопроводности материалов хотя и получили широкое распространение, но сопряжены с трудностями при определении теплопроводности влажных материалов из-за перераспределения влаги в исследуемом образце; продолжительность опыта. Для измерения теплозащитных свойств нами выбраны метод температурно-временных интервалов и разработанный в РГУ им. А.Н. Косыгина метод плоского неограниченного слоя.

4.1.2. Апробация методики оценки свойств ниточных соединений деталей верха

обуви из войлока

Анализ технологии обуви и последующих условий эксплуатации последней показывает, что максимальные разрушающие напряжения в ниточных швах возникают при затяжке (формовании) заготовки верха обуви и фиксации ее формы после [147] нее. Практически все применяемые в настоящее время нитки изготовлены из химического

сырья. Факт вытеснения из производства натуральных волокон связан с многочисленными преимуществами химических. К ним относятся: высокая прочность на разрыв; способность к быстрой релаксации после прекращения действия силы натяжения; высокая устойчивость к истиранию, воздействию пота и микроорганизмов, хорошая эластичность. Эти свойства продлевают период эксплуатации обуви и снижают повреждения швов во время сборки.

В исследованиях дана оценка влияния на прочность ниточных швов не только технологических параметров сострачивания деталей верха обуви из войлока, но и структуры материала. Предыдущие исследования показали, что войлок является анизотропным материалом, поведение которого трудно предсказуемо. В связи с этим логично выдвинуть гипотезу о влиянии волокнистого состава войлока на деформационно-прочностные свойства ниточных соединений [147].

Исследовано влияние направления вырубания образцов войлока В2 на показатели качества ниточного соединения: прочность и удлинение при разрушении шва. Образцы войлока вырубали в направлениях: продольном, совпадающим с направлением ориентации волокон; поперечном, перпендикулярным основной ориентации волокон; диагональном, расположенном под углом 45° к основной ориентации волокон. Образцы сострачивали прямолинейными швами полиэфирными нитками 45лл на швейных машинах кл. 491 РБАББ (Германия). Выбор ниток и оборудования для сшивания соответствует применяемым на российских обувных [147] предприятиях Москвы и Московской области, а диапазон изменений технологических параметров соответствует отраслевым нормативам [.....].

Исследования показали, что направление вырубания образца войлока на качество ниточных соединений влияет незначительно. Отличие показателей прочности [147] и удлинения [146] при разрушении ниточного соединения не превышает 5-7%, что может быть связано с ошибкой измерений [147]. Скрепленные настрочным одно- и двухрядным, тачным и тачным с расстрочкой швами образцы войлока исследовали на разрыв по стандартной методике. Полученные результаты занесены в табл. Б1-Б10 (приложения Б) и представлены в виде зависимостей [147] (рис. 4.1-4.4) [146]. При испытаниях оценивали не только количественные характеристики, но и вид разрушения ниточного соединения [147]. Как однорядный, так и двухрядный настрочные швы разрушились по ниткам, и только ниточный шов с частотой строчки 6 ст./см - по войлоку [147].

Результаты исследований настрочных одно- и двухрядных швов для наглядности представлены на рис. 4.1 и 4.2. Характер кривых показывает, что при удалении от края и частоты строчки нагрузка при разрыве и удлинение увеличиваются [147].

Рис. 4.1. Зависимость прочности однорядного прямолинейного ниточного шва от частоты строчки при удалении от края на: 1 мм (1), 2 мм (2), 5 мм (3) [147]

Рис. 4.2. Зависимость прочности двухрядного прямолинейного ниточного шва от частоты строчки при удалении от края на: 2 мм (1), 5 мм (2) [147]

Однако при частоте строчки при сшивании более 6 ст/см прочность при разрыве снижается, поэтому можно сделать вывод о необходимости оптимизации технологических параметров сострачивания деталей верха из войлока [147] настрочным

швом [146]. Увеличение частоты строчки приводит к снижению удлинения шва. Это вполне логично, так как показатель удлинения зависит не только от пластичных свойств войлока, но и свойств нитки. Значения показателя прочности при разрыве шва практически такие же, как и при разрушении образца войлока. Это свидетельствует о соответствии применяемых ниток для соединения образцов из войлока. Исследования показали влияние числа строчек на прочность и удлинение ниточных швов. Разница в значениях составляет от 30 до 50% [147] (рис. 4.1, 4.2). При удалении шва от края до 5 мм наблюдается увеличение его прочности, а затем она снижается [147]. Такие результаты можно объяснить анизотропной хаотической структурой войлока. Оценивая значения удлинения шва при его разрушении, можно заметить, что с увеличением частоты строчки удлинение снижается. Замечено, что с увеличением удаления строчки от края нагрузка при разрушении шва увеличивается [147] (рис. 4.3) [146].

Однако, для [146] оптимизации параметров сострачивания необходимо учитывать разумные требования прочности соединения, которая будет ограничена прочностью войлока. При последующей эксплуатации таких предельных напряжений в ниточных швах не возникает, так как сдавливание стопы верхом обуви недопустимо по физиологическим показаниям.

Рис. 4.3. Зависимость прочности тачного ниточного шва от частоты строчки при удалении от края на: 2 мм (1), 5 мм (2), 10 мм (3) [147]

Но при эксплуатации обувные детали и швы подвергаются многократным деформациям изгиба при невысоких напряжениях по сравнению с теми, которые возникают в процессе формования. Следует иметь ввиду и возможность механических повреждений единичных стежков, которые также отрицательно влияют на надежность обуви.

Учитывая особенности изготовления войлока и его структуры, в которой волокна удерживаются за счет фрикционных сил и извитости, в типовой технологии производства обуви для соединения деталей верха чаще используют тачной шов с последующей расстрочкой тесьмой. Такой шов обладает не только хорошими прочностными, но и теплозащитными свойствами, что важно для обуви осенне-зимнего сезона носки [147].

Исходя из результатов испытаний, можно рекомендовать производителям обуви с верхом из войлока применять частоту строчки 6 ст/см при удалении шва от края 5 мм. На наш взгляд, рациональными технологическими нормативами образования тачного шва, скрепляющего детали из войлока, является частота строчки 4 ст/см при удалении строчки от края - 1-2 мм. Исследования качества тачного шва с расстрочкой показали, что для образцов, вырубленных вдоль рулона войлока, рациональное расстояние строчки от края 10 мм при частоте - 4 ст/см (рис. 4.4).

Р.кН 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0.15 0,1

Рис. 4.4. Зависимость прочности тачного шва с расстрочкой от частоты строчки при удалении от края на 5 мм (1), на 10 мм (2), на 15 мм (3) [147]

Прочность ниточного соединения возрастает с увеличением количества петель, образованных в шве верхней и нижней нитками. Действующие на шов напряжения, возникающие во время эксплуатации обуви, распределяются на стежки и чем их больше, тем меньшее удельное напряжение [147] приходится на петлю. Такой шов может выдерживать большие напряжения. Когда частота строчки увеличивается, прочность соединения растёт, но через некоторое время достигает максимального значения и при дальнейшем повышении частоты строчки прочность резко снижается. Оптимальная

и и и и /—^

частота строчки является равнодействующей двух противоположных воздействий. С одной стороны, большая частота строчки - это одновременно большее число петель, образованных верхней и нижней нитками, на которые действуют разные силы и напряжения. Их значения постепенно уменьшаются. С другой стороны, увеличение частоты строчки уменьшает прочность материала в результате повреждения его внутренней структуры. Известно, что чем равномернее структура материала, тем легче определить допустимую границу частоты строчки. Чем плотнее войлок, тем большее число волокон будет повреждено при сшивании, в то время как при тонкой и мягкой структуре материала их будет меньше. Войлок, как сказано выше, материал анизотропный. Следовательно, необходимо более пристально подходить к оптимизации параметров образования ниточного соединения [147, 188].

Таким образом, результаты оценки прочности, удлинения и характера разрушения показывают, что все исследованные швы пригодны для сборки заготовок верха обуви из войлока. Однако необходимо оптимизировать параметры ниточного соединения [147]. Построение оптимизационной математической модели позволит прогнозировать качество ниточных соединений. При планировании дальнейших исследований требуется масштабнее исследовать влияние структуры войлока (плотность, состав) и свойств нитки на качество образуемых ниточных швов [147]. Изучение деформационно-прочностных характеристик плоскошовных ниточных соединений деталей верха обуви из листового войлока, позволит расширить ассортимент обуви и улучшить ее эстетические характеристики.

Анализ претензий потребителей к качеству обуви с верхом из войлока позволяет особо выделить ухудшение теплозащитных свойств обуви [266] в области ниточных швов и определяет необходимость поиска путей решения этой проблемы. Для сборки заготовки верха обуви нами предложен плоский шов (рис. 4.5), который с успехом применяется для сборки одежды из натуральной кожи и меховой овчины [37, 38].

а)

б)

Рис. 4.5. Внешний вид плоских швов, образованных: а) - 4-мя иглами; б) - 5-ю иглами.

Образцы войлока, сшитые армированными нитками с хлопковой оплеткой марки 44ЛХ (ГОСТ 6309-93) испытаны по стандартной методике на разрывной машине Instron 4411. Исследованы 4-х и 5-ти ниточные плоские швы с тесьмой и без нее, полученные на машине JUKI MF-7723 (Япония). Показатели прочности и удлинения таких видов швов зависят от частоты строчки. Учитывая волокнисто-пористую структуру материала, нами выбраны нитки 44ЛХ и 45Л, одинаковые по плотности, но разные по составу.

Р. кН

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 О

II

III

IV

п. ст./см

Рис. 4.6. Влияние частоты строчки п на прочность Р плоского шва: 4-х ниточный плоский шов; II- 4-х ниточный плоский шов с тесьмой; III -ниточный плоский шов; IV- 5-и ниточный плоский шов с тесьмой.

5-и

III IV

Рис. 4.7. Влияние частоты строчки п на удлинение Ь плоского шва: I - 4-х ниточный плоский шов; II- 4-х ниточный плоский шов с тесьмой; III - 5-и ниточный плоский шов; IV- 5-и ниточный плоский шов с тесьмой.

На рис. 4.6 и 4.7 приведены гистограммы влияния частоты строчки п на прочность Р плоского шва, образованного нитками 44 ЛХ. Технологические особенности получения плоского шва исключают утолщения материала в области наложения деталей, добиваясь плотного и герметичного ниточного соединяя. Однако плоский шов позволяет улучшить деформационно-прочностные свойства и комфортность обуви при динамических нагрузках. Хлопколавсановые армированные нитки по прочности, удлинению и стойкости к истиранию превосходят хлопчатобумажные, поэтому их использование более предпочтительно в ответственных участках заготовки верха обуви. Приемлемые физико-механические свойства: биостойкость и хемостойкость, малоусадочность при влажно-тепловой обработке, высокая эластичность и формоустойчивость, а также устойчивость к воздействию ультрафиолетового излучения - обеспечивают хорошие эксплуатационные свойства у выбранных ниток, подвергаемых воздействию агрессивных сред в процессе эксплуатации обуви.

Для укрепления швов части образцов использовалась лента саржевая хлопчатобумажная суровая для обувной промышленности (ТУ 17-09-325-90), которая предназначена для укрепления канта кожаной и отдельных видов текстильной обуви с

подкладкой из кожи. По результатам испытаний проведена статистическая обработка экспериментальных данных выборки малого объема. В качестве оценки для среднеквадратичного отклонения служила величина:

S=KRR, (4.1)

где R=Xmax-Xmin - размах варьирования;

^ - коэффициент, значение которого выбрается из таблицы методики статистической обработки.

По полученным данным размах варьирования значений для швов, не укрепленных тесьмой, составил R=0,06.. .0,17, а для укрепленных тесьмой, R=0,06.. .0,48. Определены среднеквадратичное отклонение для разрывной нагрузки и разрывного удлинения, чтобы найти границы доверительного интервала. Большинство значений вошло в интервал доверия. Следовательно, полученные значения можно считать достоверными.

Проведя анализ полученных зависимостей и сравнив деформационно-прочностные показатели различных видов швов очевидно, что для ниточного соединения деталей верха обуви из войлока [203, 266] можно использовать плоский шов, так как его свойства отвечают требованиям, предъявляемым к ниточным соединениям обуви. Выявлено, что предпочтительнее использовать 4-ниточный плоский шов с частотой строчки 6 ст/см. При варьировании частоты строчки прочность и удлинение увеличиваются. Показатели прочности плоского шва находятся в диапазоне от 0,3 до 0,6 кН. Показатели удлинения укладываются в интервал от 28 до 65 мм. Наличие тесьмы влияет незначительно, но тем не менее сказывается на прочности и удлинении плоского шва, поэтому для использования тесьмы, следует руководствоваться технологическими параметрами сборки заготовки верха обуви, с учетом возможного повышения теплозащитных свойств готовой обуви. Количество нитей, образующих плоский шов, существенно не влияет на его прочность и удлинение, поэтому в зависимости от эстетических требований и технологических возможностей можно выбирать любой шов: 4-ниточный или 5-ниточный - в зависимости от модели изготавливаемой обуви. Все эти факторы должны быть приняты во внимание и учтены при конструктивной разработке моделей обуви с

верхом из войлока и последующем их внедрении в производство. По результатам выполненных испытаний получен патент на изобретение [187].

Обувная заготовка при формовании на колодке подвержена действию значительных растягивающих усилий. Во время эксплуатации ниточные соединения подвергаются постоянному действию деформации изгиба, растяжения и сжатия. Швы истираются, как со стороны стопы, так и со стороны окружающей среды. Стопа является активным источником потовыделений, в среднем до 6 г пота в ч. Это служит причиной изменений структурно-геометрического строения и физико-механических свойств обувных материалов. Увлажнение капиллярно-пористых гидрофильных материалов, в частности деталей верха закрытой зимней обуви из войлока, приводит к повышению коэффициента теплопроводности.

Обувь зимнего сезона носки, особенно городских жителей, находится в экстремальных условиях эксплуатации, в связи с действием дорожных реагентов.

АГРЕССИВНАЯ СРЕДА

Физически активная среда: Химически активная среда:

• естественное старение • кислотно-щелочная среда

• климатические условия • масло

* вода • пот

Рис. 4.8. Виды агрессивных сред для проводимых испытаний

Наружная поверхность обуви и ниточные швы контактируют с растворами твердых химических реагентов, водой, а внутренняя - потом. Поэтому очень важно, чтобы обувные материалы, обладали износоустойчивостью не только в нормальных, но и экстремальных условиях и противостояли действию агрессивных сред (рис. 4.8).

ТЛ « « _

В качестве критерия оценки химической устойчивости материалов использованы полуцикловые разрывные характеристики при растяжении, в частности разрывная нагрузка. Исследования ниточных соединений, применяемых в бытовой обуви, проводились в нормальных условиях: температура (20±2) оС и относительная влажность

воздуха (65±2) %. Исследования проводили со следующими видами ниточных швов, с шагом шва 6 ст/см и расстоянием шва от края 5 мм: настрочной однорядный и двурядный,

и и и и у| с» и ^

тачной тугой и с расстрочкой, плоский 4-х ниточный без тесьмы и с тесьмой, 5-ти ниточный без тесьмы и с тесьмой.

Выявлено отличающееся по своей природе и характеру воздействия на текстильные материалы негативное влияние, в частности воды, пота и щелочной среды, а также естественного и искусственного старения. Исследования проводились для ниточных соединений повседневной обуви, в нормальных условиях: температура (20±2) оС и относительная влажность воздуха (65±2) %. Природа агрессивной среды влияет на значения показателя прочности при разрыве. Проанализировав полученные показатели прочности и удлинения на разрыв, зависящие от длительности воздействия естественного старении, воды, пота и щелочной среды, можно отметить их снижение, что негативно сказывается на качестве обуви. Повышение прочности в начальный период можно обосновать дополнительным свойлачиванием волокон. Постепенно за счет вымывания защитных средств, которыми покрывают войлок, происходит частичное или полное разрушение волокон. Исследования по воздействию щелочной среды на ниточные соединения деталей верха обуви из войлока пригодны для определения средства чистки войлочной обуви. Полученные данные по частоте строчки и удалении строчки от края рекомендуется использовать при выборе и разработке технологических процессов производства обуви [119].

4.1.3. Разработка способа герметизации ниточных швов, соединяющих детали

верха обуви

В работе предложен способ герметизации ниточных швов, соединяющих детали верха обуви из [146] войлоков и войлокоподобных материалов. Для разработки способа проанализировали аналоги и выявили их недостатки. Известен способ получения водонепроницаемых швов, согласно которому на ниточную строчку непрерывно подается раствор герметизирующего состава параллельно с образованием ниточной строчки [227, 245], однако он применим только в изделиях из текстильных материалов с водоотталкивающей отделкой, обладающих воздухопроницаемостью. Недостатком этого способа является отсутствие герметизации воздушных зазоров между слоями материалов в шве [245]. Способ получения водонепроницаемых ниточных соединений [227, 245]

заключается в том, что между полотнами из материала с водоотталкивающей пропиткой вставляется лента из того же материала. Края полотен и ленты выравниваются и прошиваются. Затем в полость внутри ленты, в стыки между лентой и полотном подается клейкая масса. Область шва подвергается горячему прессованию с двух сторон двумя [245] пуансонами, после чего полотна раскладываются относительно шва в плоскость, а третий пуансон прессует выступающую над полотном ленту. Под действием давления и температуры клейкая масса затвердевает, обеспечивая прочный водонепроницаемый шов. Недостатками способа являются высокая трудоемкость, необходимость температурного воздействия на область шва для обеспечения его герметичности, материалоемкость, жесткость швов, сложность технического исполнения.

За прототип разработанного нами взят способ образования водонепроницаемых ниточных соединений, основанный на соединении деталей изделия ниточным швом, наклеивании на соединяемые материалы герметизирующей ленты [227, 245]. Перед подачей герметизирующей ленты на поверхность в зону соединения наносят клей со стороны контакта с материалом и осуществляют термосклеивание герметизирующей ленты с областью шва при нагреве. При этом наклеивание герметизирующей ленты осуществляют одновременно с образованием ниточного соединения. Недостатками этого способа является необходимость использования вспомогательных клеевых веществ, герметической ленты, специального оборудования для перевода ленты в термопластичное состояние и устройства для нанесения клея. Швы, образованные этим способом, контактируют с герметизирующей лентой на поверхности шва, при слабой диффузии герметика внутрь соединения, что может привести к потере водозащитных свойств после механического или химического повреждения ленты или отслаивании от основного материала [245]. Данный способ малопригоден для сострачивания деталей из такого волокнисто пористого материала, как войлок.

Техническим результатом разработанного нами способа обработки ниточного соединения деталей из войлока является улучшение гигиенических свойств войлочной обуви, в частности герметизация ниточного шва позволит уменьшить потери тепла вследствие проколов и разрушения волокон иглой в процессе стачивания.

Способ апробирован на плоском шве, возможности применения которого в обувной промышленности способствуют расширению ассортимента скрепляемых обувных материалов. Наряду с другими видами для соединений войлочных деталей

преимущества этого шва заключаются в увеличении прочности, снижении жесткости, улучшении эстетических и гигиенических характеристик, выражающееся в красивом внешнем виде и повышении гидрофобных и теплозащитных свойств. Это достигается благодаря применению отделочной и декоративной тесьмы, укрепляющей строчку. После сострачивания наносится герметик, в результате происходит полное заполнение отверстий от проколов материала иглой и гидрофобизация швейной нити, причем внешний вид швов не ухудшается, так как образуемая на поверхности ниточной строчки пленка прозрачна и бесцветна [245]. На рис. 4.9 представлена схема герметизированного плоского шва. Предварительно края деталей под наложение спускали на машине «Фортуна» на ширину 5-6 мм, с углом заточки 30о. Далее накладывали детали друг на друга, тесьму и соединяли их на швейной машине JUKI MF-7723. Полученное ниточное соединение обрабатывали герметиком (табл. 4.3), который можно применять в детской обуви, вследствие его не токсичности и гипоаллергенности.

Высокая водоупорность швов, герметизированных заявляемым способом, обусловлена высокой адгезией клеевой герметизирующей пленки к основному материалу [245] деталей верха, за счет его волокнистого состава, а также полного заполнения им отверстий от проколов иглой. Герметизированные по заявляемой технологии швы обладают высоким уровнем водоупорности, сохраняющимся в течение длительного срока эксплуатации [245]. Герметизация шва осуществлялась нанесением герметика (табл. 4.3).

Герметик наносили на шов при помощи прямого выдавливания и втирания вглубь материала, используя кисть щетина (№14) для равномерного распределения по всему периметру шва толщиной слоя 0,5-0,1 мм и шириной 10 мм.

плоский шо&

гернети*

Рис. 4.9. Схема конструкции «плоского шва»

Табл. 4.3. Техническая характеристика герметика Kleo Pro

Консистенция паста

Система отвердевания ацетатный

Цвета в ассортименте бесцветный

Абсолютная масса 1,03 г/см3

Модуль при удлинении 100% (ISO 8339) 0,49 МПа

Удлинение при разрыве (ISO 8339) 115 %

Натяжение при разрыве (ISO 8339) 0,55 МПа

Приспособление к движению + 20%

Эластичное восстановление (ISO 7389) > 95%

Уменьшение объема после отвердевания (ISO 10563) <5%

Твердость по Шору A 25

Термоустойчивость после отвердевания -50 + 180 °С (до 205 °С на короткий отрезок времени)

+5+40°С (темп отвердения силикона при

Рекомендуемая температура нанесения отрицательных температурах значительно снижается)

3 мм/сутки, в зависимости от толщины

Темп отвердевания шва, температуры окружающей среды и влажности воздуха

Время обработки 10- 20 мин.

За критерии оценки качества предлагаемого способа получения швов с повышенными гидрофобными свойствами, приняты: прочность на разрыв Р, кН, удлинение L, мм, разрывное усилие Р, Н и термическое сопротивление R, м2* К/Вт. Результаты испытаний представлены в табл. 4.4 и 4.5.

Табл. 4.4. Значения разрывных нагрузок и удлинений образцов, не обработанных и обработанных герметиком

№ п\п Удлинение, мм Разрывное усилие, Н Разрывное удлинение, мм Разрывное усилие, Н Разрывное удлинение, мм

10 20 30 Без обработки герметиком С обработкой герметиком

1 0,03 0,13 0,24 0,28 34 0,28 34

2 0,04 0,15 0,30 0,32 31 0,32 31

3 0,06 0,18 0,32 0,36 33 0,36 33

4 0,03 0,12 0,23 0,28 30 0,28 30

5 0,04 0,16 0,29 0,33 35 0,33 35

6 0,02 0,12 0,23 0,27 30 0,27 30

7 0,03 0,14 0,24 0,29 34 0,29 34

8 0,07 0,18 0,30 0,32 36 0,32 36

Табл. 4.5. Термическое сопротивление войлока и ниточных плоских швов, м2* К/Вт

Вид шва Швы, не обработанные герметиком Швы, обработанные герметиком Войлок

Частота строчки, ст/см Частота строчки, ст/см

3 4 5 6 3 4 5 6

5-ти ниточный без тесьмы 0,026 0,040 0,037 0,022 0,033 0,046 0,052 0,040 0,34

5-ти ниточный с тесьмой 0,025 0,031 0,044 0,039 0,030 0,042 0,050 0,038

4-х ниточный без тесьмы 0,030 0,042 0,031 0,016 0,036 0,048 0,040 0,052

4-х ниточный с тесьмой 0,025 0,035 0,040 0,027 0,035 0,040 0,050 0,056

Показатели деформационно-прочностных и теплозащитных свойств удовлетворяют требованиям, предъявляемых к обуви. При термическое сопротивление повысилось в среднем на 25-30 %.

4.1.4. Моделирование технологических параметров ниточной сборки заготовки

верха обуви из войлока

Показатели свойств материала и ниточных соединений при действии на них различных технологических факторов (вида ниток, частоты строчки, количества нитей, использование герметика и тесьмы при стачивании деталей) определяли 10 замерами. Для оценки основных статистических характеристик использовали распределение Стьюдента (В. С. Госсета). Определение показателей теплозащитных и деформационно-прочностных свойств связанно с проведением косвенных измерений искомой величины, которая является функцией от нескольких величин: Х=f (х, у, z...). Исследовали 2 вида плоского шва 4-х и 5-ти ниточные, 3 вида разной тесьмы (Т1, Т2, Т3), меняли частоту строчки 3, 4, 5 и 6 ст/см, обрабатывали герметиком и не обрабатывали. Математическое моделирование проводилось на основе трехфакторного дисперсионного анализа факторов, влияющих на качество ниточных соединений [100, 223, 230]. Статистическая обработка результатов эксперимента была произведена согласно ГОСТ 11.004-74, и ГОСТ 8.207-76, доверительный интервал искомой величины определялся с заданной вероятностью 0,95 %.

Настоящая методика предназначена для прогнозирования качественных показателей ниточных соединений деталей верха, изготовленных с применением

герметизации и использованием новой конструкции шва - плоского 4-х и 5-ти ниточного. По результатам статистической обработки получили коэффициент вариации изучаемых показателей в пределах 1,3-3,6 %, при этом показатель точности для 10-ти параллельных испытаний не превышает 4.6%. Далее мы последовательно изучили влияние, которое оказывает на отклик три качественных признака - фактор А, который имеет к уровней (градаций) Аг, Аг,.., Ак, фактор В, разбитый на п уровней Вг, ...Вп и фактор С, разбитый на Сг,. •

Проверили гипотезу о принадлежности всех выборок одной генеральной совокупности, т.е. насколько велико расхождение наблюдаемых значений при разных значениях факторов, что связано с случайными обстоятельствами или анизотропной структурой испытываемого материала. При исключении нулевой гипотезы оценили степень влияния каждого фактора и их взаимодействия на исследуемый показатель. В рамках этой задачи изучили влияние, которое оказывает на [45] количественный результат измерения тот или иной фактор, который имеет принципиально нечисловую природу и измерен в шкале наименований [231] («вид шва», наличие тесьмы «Т1», «Т2», «Тз» и «нет», а также частоты строчки 3, 4, 5, 6 ст/см. Общая методика заключается в разделении общей вариации совокупности результатов наблюдения на частные вариации, обусловленные воздействием отдельных факторов и их комбинаций, и на остаточную вариацию, обусловленную случайными причинами [45]. Деформационно-прочностные и теплозащитные свойства зависят от огромного количества факторов, среди наиболее существенных можно выделить: вид шва, вид ниток, частота строчки наличие тесьмы и герметика.

Разработка рекомендаций и возможности прогнозирования показателей качества ниточных плоскошовных соединений деталей верха обуви из войлока выполнена нами с помощью математической обработки полученных в ходе проведения экспериментов данных, с целью выявления оптимального сочетания взаимозависимых факторов.

Фрагмент таблицы факторов представлен в табл. 4.6, а полностью данные представлены в приложении Б. Для выявления характера влияния исследуемых факторов и их взаимодействий на деформационно-прочностные и теплозащитные показатели свойств заготовок верха войлочной обуви, полученных ниточным способом соединения деталей, нами был проведен трехфакторный дисперсионный анализ.

Табл. 4.6. Деформационно-прочностные и теплозащитные свойства плоскошовного 4-х ниточного соединения нитками 44 ЛХ (фрагмент)

Наличие герметика Вид тесьмы Частота строчки, ст/см Р, кН L, мм X, Вт/(мК) ^ м2К/Вт

3 1,26 45 0,087 0,031

Тх 4 0,99 41 0,057 0,042

5 1,84 42 0,091 0,030

6 1,37 43 0,116 0,027

3 1,67 66 0,070 0,040

Т2 4 1,84 62 0,075 0,035

5 1,80 64 0,110 0,025

+ 6 1,77 65 0,119 0,124

3 1,57 78 0,124 0,132

Тз 4 1,49 46 0,130 0,117

5 1,77 45 0,116 0,108

6 1,90 53 0,132 0,113

3 0,49 46 0,066 0,116

4 0,48 44 0,088 0,131

5 0,56 59 0,118 0,125

6 0,5 54 0,094 0,112

3 0,84 40 0,143 0,016

Тх 4 0,99 38 0,087 0,031

— 5 1,20 37 0,057 0,042

6 1,30 36 0,091 0,030

Влияние вида ниток (рис. 4.10, а), частоты строчки (рис. 4.10, б) и обработки герметиком (рис. 4.10, в) на прочность и разрывное удлинение графически представлены на рис. 4.10, 4.11. Влияние наличия тесьмы (рис. 4.12, а), обработки герметика (рис. 4.12, б) и частоты строчки (рис. 4.12, в) на коэффициент теплопроводности и термическое сопротивление (рис. 4.13) представлено графически. Полученные результаты статистической обработки данных, характеризующих изменения показателей деформационно-прочностных и теплозащитных свойств для каждого варианта сочетания технологических факторов, влияющих на качество ниточных соединений, представлены в табл. 4.7.

6)

repweTOK; LS Means Current effect: F(1, 96)=38,294, p=,00000 Effective hypothesis decomposition Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

да не

герме™ к

в)

Рис. 4.10. Влияние вида ниток (а), частоты строчки (б) и герметика (в) на усилие при

разрыве

б)

герметик; LS Means Current effect: F(1, 96)=16,323, p=,00011 Effective hypothecs decomposition Vertical bars denote 0,95 confidence interval

65 -,-

60 55 50

45 -40 35 -

ire

герметак

в)

Рис. 4.11. Влияние вида шва (а), частоты строчки (б) и герметика (в) на разрывное

удлинение

наличие тесьмы; LS Means Current effect: F(1, 16)=1,2612, p=,27800 Effective hypothesis decomposition Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

а)

repMeiuiK; LS Means Current effect: F(1, 16)=,29725, p=,59313 Effective hypothesis decomposition Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

0,22 0,20 0,18 0,16 E 0,14 ™ 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04

г

.

да не

герметик

б)

Current effect: F(3, 16)=1,3740, p=,28655 Effective hypothesis decomposition Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 -0,05

в)

6

5

4

3

Рис. 4.12. Влияние наличия тесьмы (а), герметика (б) и частоты строчки (в) на коэффициент теплопроводности

наличие тесьмы; LS Means Current effect: F(1, 16)=4,9115, p=,04152 Effective hypothesis decomposition Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

не да

а)

герметwк; LS Means Current effect: F(1, 16)=2048,9, p=0,0000 Effective hypothesis decomposition Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

б)

Current effect: F(3, 16)=7,4135, p=,00248 Effective hypothesis decomposition Vertical bars denote 0,95 confidence intervals

в)

Рис. 4.13. Влияние наличия тесьмы (а), герметика (б) и частоты строчки (в) на термическое сопротивление

Табл. 4.7. Статистические характеристики всех вариантов сочетания факторов

Вариация Сумма квадратов Степень свободы Дисперсия ^факт Ргабл. Влияние источников вариации, %

Количество: повторений вариантов 35,34 50,00 47 7 7,14 120,73 2 33,72 47,70

Случайное 19,46 329 0,05 - - 18,57

Общее 104,81 383 - - - 100

Из табл. 4.7 видно, что на 5% -м уровне значимости нулевую гипотезу, об отсутствии влияния «обработки швов тесьмой» и «вида ниток» следует принять. На 47,7% разброс обусловлен действием этих факторов и на 18,5% - действием неучтенных факторов [231]. Схема трехфакторного дисперсионного анализа предполагает проверку следующих гипотез [231]: влияет ли на прочность, разрывное удлинение, термическое сопротивление и коэффициент теплопроводности следующие факторы и сочетания факторов: вид шва (А) не влияет на вышеперечисленные показатели свойств; частота строчки (варианты: 3, 4, 5, 6 ст/см) (В) не влияет; обработка герметиком (варианты: «да» или «нет») (С) не влияет; вид шва + частота строчки (АВ) имеют эффект взаимодействия; вид шва + обработка герметиком (АС) имеют эффект взаимодействия; частота строчки + обработка герметиком (ВС) имеют эффект взаимодействия; вид шва + частота строчки + обработка герметиком (АВС) имеют эффект взаимодействия. Результаты трехфакторного дисперсионного анализа даны в табл. 4.8.

Табл. 4.8. Результаты трехфакторного дисперсионного анализа

Источник вариации [231] Сумма квадратов Степень свободы Дисперсия Fфакт Fтабл Влияние факторов, %

Факторы: А 3,3 1,0 3,3 55,7 3,9 3,1

B 4,0 1,0 4,0 67,0 3,9 3,8

C 20,3 1,0 20,3 343,5 3,9 19,4

Взаимодействие

факторов: АВ 6,5 1,0 6,5 109,3 3,9 6,2

AC 4,2 1,0 4,2 71,6 3,9 4,0

BC 4,2 1,0 4,2 70,4 3,9 4,0

ABC 7,6 1,0 7,6 127,7 3,9 7,2

Отметим, что эффект взаимодействия факторов появляется каждый раз, когда одновременно варьируются два или более факторов и действие одного из них зависит от того уровня, на котором находится другой фактор. Например, взаимодействие «вид шва + шаг» служит мерой того, насколько влияние фактора «вид шва» зависит от фактора [231] «шаг» и наоборот. Таким образом, математическая обработка экспериментальных данных показала, что наибольшее влияние [231] оказывает фактор С: «обработка герметиком» и «вид шва + шаг + обработка герметиком», а также взаимодействие этих двух факторов.

По анализу информации графически представленных зависимостей деформационно-прочностных и теплозащитных свойств заготовок верха войлочной обуви, полученных ниточным способом соединения деталей, а именно с применением плоского шва, установлено, что наибольший показатель термического сопротивление у 5-ти ниточных плоских швов, обработанных тесьмой при частоте строчки 4 ст/см, а наименьшие значения показателей получаются при сострачивании образцов 4-х ниточным плоским швов без использования тесьмы при частоте строчки 6 ст/см. В целом показатели термического сопротивления образцов, укрепленных тесьмой больше на 2024 % по сравнению с неукрепленными. Разброс данных составляет от 0,017 до 0, 042 м2*К/Вт, это можно связать с анизотропностью войлока.

Математическая модель состояния ниточного соединения позволяет провести уточненный расчет показателей качества соединений, изучить динамику их изменения с учетом влияния разнообразных технологических и эксплуатационных факторов, определить значимость каждого отдельно, а также оценить их взаимное влияние друг на друга.

4.1.5. Апробация методики оценки свойств безниточных соединений деталей верха

обуви из войлока

Для решения задачи повышения теплозащитных и водоупорных свойств соединений деталей верха обуви из войлока предложено заменить ниточные соединения клеевыми и дать комплексную оценку свойствам безниточного клеевого соединения деталей верха войлочной обуви [126, 152]. Проведены испытания на сдвиг, скорость схватывания, расслаивание по стандартным методикам при нормальных условиях и в условиях воздействия агрессивных сред. Для нанесения клея на края склеиваемых

деталей верха обуви из войлока целесообразно, на наш взгляд, использовать машину со следующими идентификационными характеристиками. Установка должна быть стационарной со столом-площадкой базовой конструкции или снабженным вытяжным устройством. Стол с вытяжкой необходим при нанесении клеев-растворов. Базовая конструкция стола подойдет для безвредных клеев-расплавов. Выбор конструкции клееподающих элементов также зависит от типа клея. Клей-расплав наносят пистолетом, а клей-раствор - роликом, обтянутым губчатым материалом. Современная технология производства заготовок предполагает нанесение клея на деталь сверху в виде одинарной полосы. Оценку свойств клеевых соединений образцов войлока проводили при нормальных условиях: температуре окружающей среды 20±5 оС и относительной влажности воздуха 40-45 % [291]. Полоски войлока, вырубленные в продольном направлении, склеивали клеями-растворами, клеями-расплавами и клеями-дисперсиями.

Склейки полиуретановым и полихлоропреновым клеями, прессовали не более 1 минуты. Далее исследовали их по стандартной методике на разрывной машине РТ-250 [147] методом испытания на сдвиг, расслаивание и скорость схватывания.

Табл. 4.9. Клеи-растворы при нормальных условиях

Шифр войлока Шифр испытания Шифр клея о, Н/мМ06 Н/м-106

В1 НУ1 К1 з,27 -

В2 НУ1 К1 з,15 -