СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВОЛОКНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01N19/02 G01N3/56 

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при определении фрикционных свойств волокна, в частности волокна волос.

В настоящее время в связи с активным развитием косметологии актуальной задачей является создание методов, предназначенных для оценки фрикционных свойств волокна волоса, так как фрикционные свойства отражают состояние поверхности волокна волоса и являются важным информационным показателем потребительских свойств волос, а также показателем влияния процессов мытья и сушки, атмосферных явлений, косметических средств на волосы.

Известны применяемые в материаловедении методы определения фрикционных свойств волокон, в частности, фрикционных свойств волокон волос, основанные на измерении показателей, характеризующих трение, возникающее при движении гребня по пучку волокон волос.

Например, известен способ определения фрикционных свойств волокон волос и установка для его осуществления [1] по величине силы расчесывания.

Суть метода заключается в регистрации изменяющейся силы, оказывающей сопротивление продвижению гребня, двигающегося с постоянной скоростью вдоль пряди волос. Способ осуществляют с помощью серийно выпускаемого прибора Instron Tensil Tester, имеющего специальное приспособление, позволяющее измерить силы, препятствующие расчесыванию.

В указанном способе и устройстве испытание проводят не на единичном волокне, а на пучке волокон и при этом определяют показатели кинетического трения, характеризующие сопротивление, оказываемое волокнами волос перемещению зубьев гребня.

В результате измеряемые параметры определяются как свойствами поверхности испытуемых образцов волокон волос, так и воздействием некоторых внешних факторов ("спутанность" волос, их "распрямленность", возникновение воздушных потоков и прочее), что снижает степень достоверности информации о состоянии поверхности волокон волос.

Известен способ и устройство для определения фрикционных свойств волокон текстильных нитей, предназначенные для исследования характеристик единичного образца волокон, которые являются наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым способу и устройству и выбраны авторами за прототип [2].

Согласно способу измеряют параметр, который характеризует силу трения, возникающую между боковой поверхностью валика, жестко закрепленного на оси, проходящей через центр тяжести валика, и поверхностью образца волокна, перекинутого через валик перпендикулярно его образующей и нагруженного на двух свободных концах грузиками одинаковой массы.

Устройство для осуществления указанного способа включает торсионные весы, используемые в качестве измерителя параметра, характеризующего силу трения. Крючок торсионных весов соединен с одним из грузов нагруженного образца волокна. Устройство также содержит электродвигатель для приведения во вращение валика. Валик и торсионные весы пространственно размещены таким образом, чтобы охватывающий валик образец волокна провис под действием грузов, нагружающих его оба конца.

Способ осуществляют следующим образом. С помощью торсионных весов фиксируют положение грузика, соответствующее исходному состоянию равновесия образца волокна, размещенного на поверхности неподвижного валика. Затем приводят валик во вращение, при этом между ним и волокном возникает сила трения, выводящая торсионные весы из равновесия. Передвигают стрелку весов и находят такое положение, при котором равновесие восстанавливается. Снимают показания торсионных весов, которые характеризуют возникшую между валиком и волокном силу трения. Затем вычисляют коэффициент трения, используя формулу Эйлера для трения в передачах с гибкими звеньями:

где T₁ - сила натяжения ведущей ветви передачи, равная массе грузика на конце волокна,
T₀ - сила натяжения ведомой ветви передачи, равная по величине разности (T₁ - P), где P - показания торсионных весов,
α - угол обхвата волокном боковой поверхности валика (рад),
K_тр - коэффициент трения.

Данные способ и устройство позволяют определить показатели фрикционных свойств единичного отрезка волокна, что повышает достоверность информации о поверхностных свойствах волокна.

Однако в процессе вращения валика происходит "притирка" волокна, что может внести изменение в естественную структуру его поверхностного слоя. Указанный фактор препятствует использованию рассматриваемых способа и устройства при исследовании волокон, у которых структура поверхностного слоя отличается от структуры внутренних слоев, в частности, для волокон волос.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и устройства, позволяющих получать высокую достоверность результатов определения фрикционных свойств волокон, в частности волокон волос, за счет обеспечения сохранности естественной структуры поверхности волокна в процессе проведения испытаний.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что осуществляют измерение параметра, характеризующего силу трения между поверхностью цилиндрического тела, размещенного на оси, проходящей через него параллельно его образующей, и поверхностью нагруженного образца волокна, охватывающего перпендикулярно образующей цилиндрического тела часть его боковой поверхности, а также последующее вычисление коэффициента трения с использованием измеренного параметра, причем осуществляют измерение параметра, характеризующего силу трения покоя между поверхностью нагруженного образца волокна и поверхностью цилиндрического тела, размещенного на проходящей через него оси, расположенной со смещением относительно центра тяжести цилиндрического тела, для чего предварительно выводят цилиндрическое тело из исходного положения равновесия путем приложения момента внешних сил, затем снимают указанное внешнее воздействие и после достижения цилиндрическим телом нового равновесного положения измеряют его угол поворота вокруг проходящей через него оси относительно его исходного положения равновесия.

Новым в предлагаемом способе является то, что осуществляют измерение параметра, характеризующего силу трения покоя между поверхностью нагруженного образца волокна и поверхностью цилиндрического тела, размещенного свободно на проходящей через него оси, расположенной со смещением относительно центра тяжести цилиндрического тела, для чего предварительно выводят цилиндрическое тело из исходного положения равновесия путем приложения момента внешних сил, затем снимают указанное внешнее воздействия и после достижения цилиндрическим телом нового равновесного положения измеряют его угол поворота вокруг проходящей через него оси относительно его исходного положения равновесия.

Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что оно включает цилиндрические тело, размещенное на оси, проходящей через ось цилиндра, и расположенное с возможностью помещения на части его боковой поверхности перпендикулярно образующей перекинутого через него нагруженного образца волокна, а также измерительное средство для измерения параметра, характеризующего силу трения волокна о боковую поверхность цилиндрического тела, причем цилиндрическое тело выполнено в виде диска, на торцевой поверхности которого жестко закреплен груз, центр тяжести которого смещен относительно проходящей через диск оси, диск размещен на оси свободно, измерительное средство выполнено в виде измерителя угла поворота диска вокруг проходящей через него оси, при этом устройство снабжено стойкой с зажимом для жесткого закрепления одного из концов нагруженного образца волокна.

Новым в предлагаемом способе является то, что цилиндрическое тело выполнено в виде диска, не торцевой поверхности которого жестко закреплен груз, центр тяжести которого смещен относительно проходящей через диск оси, диск размещен на оси свободно, измерительное средство выполнено в виде измерителя угла поворота диска вокруг проходящей через него оси, при этом устройство снабжено стойкой с зажимом для жесткого закрепления одного из концов нагруженного образца волокна.

Главной особенностью предлагаемого способа и устройства является то, что они позволяют определить характеристики трения покоя волокна о поверхность неподвижного твердого тела для случая, когда нагруженный образец волокна препятствует повороту охватываемого волокном цилиндрического тела вокруг проходящей через него оси. При этом указанное цилиндрическое тело представляет собой физический маятник, так как оно свободно размещено на оси, расположенной параллельно его образующей и не проходящей через центр тяжести указанного тела. Для такой модели силой трения покоя волокна является сила, удерживающая в положении равновесия цилиндрическое тело, предварительно выведенное из исходного положения равновесия путем приложения к нему кратковременного внешнего воздействия и стремящегося занять исходное равновесное положение под действием силы тяжести.

Измеряемым параметром, позволяющим характеризовать силу трения покоя волокна, является угол поворота цилиндрического тела относительно его исходного положения равновесия (или угловое отклонение положения центра тяжести цилиндрического тела в новом равновесном положении относительно положения, которое он занимал в исходном равновесном положении).

Измеренный угол поворота позволяет определить силу трения покоя волокна с использованием векторного разложения действующих на цилиндрическое тело сил, а также вычислить коэффициент трения покоя волокна, применяя формулу (1) Эйлера для трения в передачах с гибкими звеньями.

Исследование характеристик трения покоя волокна позволяет обеспечить высокую достоверность результатов определения его фрикционных свойств. Сила трения покоя волокна, препятствующая возвращению цилиндрического тела в исходное положение равновесия и удерживающая его в новом равновесном положении, определяется природой волокна и естественным состоянием структуры его поверхности. При этом характеристики трения изменяются в момент отсутствия относительного перемещения волокна и цилиндрического тела, что исключает нарушение естественной поверхностной структуры волокна, происходящее в случае определения характеристик кинетического трения, возникающего при трении волокна о поверхность движущегося твердого тела. Следует заметить, что кратковременное и возникающее на небольшом участке поверхности относительное перемещение волокна и цилиндрического тела, происходящее в процессе выведения цилиндрического тела из равновесия и в процессе последующего его торможения, не приводит к ощутимому изменению поверхностной структуры волокна (его "притирке").

В устройстве для реализации предлагаемого способа в качестве твердого тела, представляющего собой физический маятник, используют диск, свободно размещенный на оси, проходящей через центр тяжести диска параллельно его образующей, на торцевой поверхности которого жестко укреплен груз, центр тяжести которого смещен относительно указанной оси. При такой конструкции диска вес груза создает момент силы, стремящийся вернуть выведенный из положения равновесия диск в исходное равновесное состояние.

Для удобства размещения нагруженного образца волокна на части боковой поверхности диска, а также для обеспечения удобства выведения диска из равновесия и упрощения последующих вычислений на основе измеренного параметра, устройство снабжено стойкой с зажимом, в котором жестко крепится свободный ненагруженный конец волокна. Уровень размещения зажима на стойке по отношению к уровню размещения оси, на которой помещен диск, определяет величину угла обхвата волокном боковой поверхности диска.

Наличие в устройстве измерителя угла поворота диска вокруг проходящей через него оси обеспечивает возможность измерения параметра, по которому судят о силе трения покоя волокна.

Расположение диска в пространстве с возможностью размещения на части боковой поверхности перекинутого через него нагруженного образца волокна обеспечивает провисание образца волокна и возникновение в нем натяжения под действием веса груза, которым нагружен свободный конец волокна.

На чертеже представлено предлагаемое устройство для определения фрикционных свойств волокна.

Устройство содержит основание 1, на котором смонтирована стойка 2, снабженная кронштейном 3 и зажимом 4. В кронштейне 3 укреплена ось 5, на которой помещен диск 6, установленный с возможностью свободного поворота вокруг оси 5. Боковая поверхность диска 6 выполнена гладкой с высокой степенью чистоты поверхности, чтобы не вносить искажения в результаты измерения силы трения волокон о боковую поверхность диска 6. Зажим 4 установлен на стойке 2 на уровне касательной, проведенной к верхней точке окружности диска 6.

На диске 6 жестко укреплен радиально расположенный протяженный груз 7, центр тяжести которого расположен на расстоянии R_гр от центра торцевой поверхности диска 6.

На основании 1 под диском 6 помещена шкала 8 измерителя 9 угла поворота диска 6 вокруг оси 5. На конце груза 7 жестко укреплена стрелка 10 указанного измерителя 9. Шкала 8 отградуирована таким образом, что нулевая ее отметка совпадает с положением стрелки 10, которое она занимает в исходном равновесном положении диска 6 на оси 5.

Зажим 4 предназначен для закрепления в нем свободного конца образца 11 испытуемого волокна, перекинутого через диск 6 и нагруженного на свободном конце грузом 12, обеспечивающим натяжение образца 11 волокна.

Способ определения фрикционных свойств волокон реализуется с помощью описанного выше устройства следующим образом.

Перед испытанием поверхность диска обезжиривают, обрабатывая ее этиловым спиртом.

Осторожно укладывают образец 11 испытуемого волокна, в частности волокна волоса, один конец которого предварительно нагружают грузом 12, а другой конец зажимают в зажиме 4, на часть боковой поверхности диска 6. При этом стараются, чтобы груз 12 не касался поверхности диска 6.

Медленно поворачивают вручную диск 6 вокруг оси 5 против часовой стрелки на угол (18-20)^o, контролируя визуально угол поворота с помощью стрелки 10 шкалы 8.

Осторожно отпускают диск 6, при этом он стремится вернуться в исходное равновесное положение и начинает поворачиваться по часовой стрелке вокруг оси 5. Сила трения покоя образца 11 волокна препятствует движению диска 6 и вызывает его торможение. В результате диск 6 прекращает движение и занимает новое равновесное положение, отличное от исходного. По окончании движения диска 6 еще раз вручную слегка поворачивают его вокруг оси 5 против часовой стрелки (на угол порядка 1^o), после чего вновь осторожно отпускают диск 6. После того, как диск 6 приходит вновь в состоянии покоя, снимают показания ϕ измерителя угла поворота диска 6 вокруг оси 5, соответствующее величине углового отклонения центра тяжести груза 7, укрепленного на диске 6, вокруг оси 5 от его исходного равновесного положения.

На каждом образце волоса проводят не менее 3-х параллельных измерений, причем перед каждым замером снимают нагруженную часть образца 11 с диска 6 на 4 - 5 с и после этого вновь укладывают на поверхность диска образец 11.

Меняют положение концов образца 11 на противоположное и осуществляют еще три измерения угла ϕ.

Осуществляют обработку результатов измерения. Величину силы F, уравновешивающей момент сил, стремящихся вернуть диск 6 в исходное положение равновесия, рассчитывают по формуле:

где m_гр - масса груза 7, кг,
R_гр - радиус тяжести груза 7, мм,
R_д - радиус диска 6 мм,
sinϕ - синус угла, фиксируемого измерителем 9 (среднее арифметическое шести измерений).

Коэффициент трения покоя вычисляют по формуле (1) Эйлера, имеющей для рассматриваемого случая следующий вид:

где M_гр - масса груза 12, г,
F - уравновешивающая сила, вычисленная по формуле (2),
ϕ - угол обхвата образцом 11 поверхности диска 6, составляющий величину π/2, рад.

Тогда формула (1) принимает вид:

Для серии образцов рассчитывают среднее арифметическое коэффициента трения, стандартное отклонение и 95% доверительный интервал.

Источники известности
1. ЦНИИИ и ТЭИ пищевой промышленности. Пищевая промышленность. Обзорная информация. Выпуск 9. Серия 21. Парфюмерно-косметическая и эфирно-масличная промышленность. М. 1984 г., стр. 12.

2. И. А. Дмитриева, Л. О. Михайловская. Физико-механические испытания волокон. М., 1970 г, стр. 60-63.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано для определения фрикционных свойств волокна, в частности волокна волос. Способ заключается в том, что измеряют параметры, характеризующие силу трения между поверхностью цилиндрического тела и поверхностью нагруженного образца волокна. Цилиндрического тело размещено свободно на проходящей через него оси, расположенной со смещением относительно центра тяжести цилиндрического тела. Цилиндрическое тело выводят из положения равновесия путем приложения момента внешних сил и снимают указанное внешнее воздействие. После достижения цилиндрическим телом нового равновесия измеряют угол поворота вокруг проходящей через него оси относительно его исходного положения равновесия. Устройство для определения фрикционных свойств волокна включает цилиндрическое тело, размещенное на оси, проходящей через ось цилиндра. Цилиндрическое тело выполнено в виде диска, на торцевой поверхности которого жестко закреплен груз, центр тяжести которого смещен относительно проходящей через диск оси. Диск размещен на оси свободно. Измерительное средство выполнено в виде измерителя угла поворота диска вокруг проходящей через него оси. Устройство снабжено стойкой с зажимом для жесткого закрепления одного из концов нагруженного образца волокна. Изобретение решает задачу повышения достоверности информации о фрикционных свойствах волокон волос. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения фрикционных свойств волокна, включающий измерение параметра, характеризующего силу трения между поверхностью цилиндрического тела, размещенного на оси, проходящей через него параллельно его образующей и поверхностью нагруженного образца волокна, охватывающего перпендикулярно образующей цилиндрического тела часть его боковой поверхности, а также последующее вычисление коэффициента трения с использованием измеренного параметра, отличающийся тем, что осуществляют измерение параметра, характеризующего силу трения покоя между поверхностью нагруженного образца волокна и поверхностью цилиндрического тела, размещенного свободно на проходящей через него оси, расположенной со смещением относительно центра тяжести цилиндрического тела, для чего предварительно выводят цилиндрическое тело из исходного положения равновесия путем приложения момента внешних сил, затем снимают указанное внешнее воздействие и после достижения цилиндрическим телом нового равновесного положения измеряют его угол поворота вокруг проходящей через него оси относительно его исходного положения равновесия. 2. Устройство для определения фрикционных свойств волокна, включающее цилиндрическое тело, размещенное на оси, проходящей через ось цилиндра и расположенное с возможностью помещения на части его боковой поверхности перпендикулярно образующей перекинутого через него нагруженного образца волокна, а также измерительное средство для измерения параметра, характеризующего силу трения волокна о боковую поверхность цилиндрического тела, отличающееся тем, что цилиндрическое тело выполнено в виде диска, на торцевой поверхности которого жестко закреплен груз, центр тяжести которого смещен относительно проходящей через диск оси, диск размещен на оси свободно, измерительное средство выполнено в виде измерителя угла поворота диска вокруг проходящей через него оси, при этом устройство снабжено стойкой с зажимом для жесткого закрепления одного из концов нагруженного образца волокна.