بخشی از مقاله
چکیده
نفوذپذیری سیالات در پارچه تاری پودی نقش تعیین کننده ای در کامپوزیت ها، فیلترها، منسوجات پزشکی، لباس های ایمنی و منسوجات عمرانی تهیه شده از این پارچه ها دارد. همچنین می بایست در فرآیندهای پارچه از جمله رنگرزی، خشک کردن و تکمیل مورد توجه قرار گیرد. هندسه سلول بافت و منفذ آن در پارچه اثر معنی داری بر نفوذ پذیری دارد. بنابر این برای مدل کردن و شبیه سازی نفوذپذیری سیالات در پارچه تاری پودی، هندسه دقیق سلول بافت و منافذ پارچه مورد نیاز است.
به همین منظور هندسه و سلول بافت پارچه تاری پودی با استفاده از شبیه سازی نرم افزاری در این مقاله مورد بررسی قرار گرفت. در مدل ارائه شده، نتایج با مدل Backer در مقیاس meso مقایسه شد. نتایج مشخص کرد که همخوانی خوبی بین روش شبیه سازی شده و روش مقیاس meso وجود دارد. به اضافه برای آنالیز ساختمان سه بعدی و حجم منافذ و سلول های بافت، قابلیت های قطعی روش در این مقاله ارائه شد.
مقدمه
امروزه پارچه های تاری پودی به سبب خواص منحصر بفرد خود، کاربرد وسیعی دارند. مقاومت پارچه تاری پودی در برابر عبور سیالات می تواند برای برخی کاربردهای پارچه مثل عبور بین و داخل الیاف، تهیه کامپوزیت، نفوذ به پارچه در فیلتر، منسوجات پزشکی و راحتی فیزیولوژیکی پوشاک مهم باشد. [1] برای اندازه گیری تخلخل پارچه های تاری پودی، روش های تجربی مختلفی از جمله روش های نوری، روش های مبتنی بر نفوذ مایع، جذب، فیلتراسیون، جریان هوا توسعه یافته است که می تواند تنها برای پارچه های واقعی به کار رود. [2] [3]رفتار و مقدار نفوذ مایع و جریان آن از بین ساختمان پارچه تابع پارامترهای تخلخل شامل تعداد منفذ، توزیع اندازه منافذ، شکل و حجم آن است.
Turan et.al. - 2012 - بیان داشتند که خواصی مثل قابلیت تر شدن، جذب رطوبت، مقاومت حرارتی، و فیلتراسیون بستگی به رفتارهای نفوذپذیری دارند و از خواص منفذ مثل تخلخل، شکل و اندازه منفذ، توزیع اندازه منفذ - PSD - تاثیر می پذیرد. آن ها نشان دادند که روش آنالیز تصویر روش مشاهده ای، آماری، آسان و سریع برای ارائه اطلاعات اندازه منفذ داخل نخ و توزیع اندازه منفذها در پارچه تاری پودی در مقایسه با مدل های دو بعدی و سه بعدی است. در مقابل، اختلافات بین انواع بافت و پارامترهای منفذ نمی تواند توسط این روش شناسایی شود.
علاوه بر این با وجود ضریب همبستگی بین نتایج آزمون نفوذپذیری هوا و روش های دو بعدی - مدل هندسی و روش آنالیز تصویری - ، آن ها قادر نبودند تفاوت تخلخل و نفوذپذیری پارچه هایی با انواع مختلف بافت را نشان دهند. نتایج روش هندسی در جاهایی که همخوانی با نتایج واقعی ندارند، با سایر روش های تجربی و هندسی برای پیش بینی ماکرو تخلخل پارچه تاری پودی که بر اساس سیستم لوله شکل ماده متخلخل و دو پارامتر هندسی ساختمان پارچه یعنی تراکم و نمره نخ، اندازه گیری شدند.Backer [2
] در سال 1951 رابطه بین هندسه ساختمان پارچه و خواص فیزیکی آن مثل هندسه منفذ و نفوذ پذیری را ارائه کرد. ولی فرض کرد که نفوذ پذیری هوا به حداقل مساحت منفذ - مساحت سطح مقطع منفذ - در پارچه تاری پودی با بافت باز و بسته بستگی دارد. 4 نوع سلول بافت با نسبت های مختلف در همه انواع بافت پارچه های تاری پودی تکرار می شوند. ساختمان اکثر پارچه های متداول از 2 یا 3 نوع منفذ تشکیل شده اند.
چهار نوع سلول بافت پارچه های تاری پودی [4]
مروری بر پیشینه تحقیق نشان داد که پایه مطالعات در این زمینه، کار Backer است که بر اساس 4 نوع سلول بافت پارچه تاری پودی بود. مطالعه وی بر اساس نفوذ پذیری هوا در پارچه و محاسبه حداقل مساحت منفذ در هر نوع سلول بافت با استفاده از نمای برش های سلول بافت و محاسبه مساحت منفذ دو بعدی بود که پس از آن میانگین نفوذپذیری هوا در 4 نوع سلول بافت در راپورت بافت پارچه و نسبت توزیع سلول های بافت محاسبه شده است.
بر اساس نسبت توزیع 4 نوع سلول بافت در راپورت بافت پارچه، فقط میانگین نفوذپذیری هوا در نمونه ها اندازه گیری شده است. در تحقیقات اخیر، روش های ساده تر و سریع تر - مثل اسکن کردن، میکروسکوپی و غیره - برای محاسبه حداقل مساحت سطح مقطع منفذ در بافت پارچه تاری پودی مورد استفاده قرار گرفته است. [1] [2] [5] تعداد اندکی مطالعات بر روی هندسه سه بعدی منفذ کار شده که اغلب، ساده ترین شکل برای سطح مقطع منفذ از جمله دایره یا بیضی را در نظر گرفته و شکل سه بعدی را به صورت استوانه فرض کرده اند. [2] [6] با این حال در برخی از پارچه ها، ویژگی سلول های بافت متفاوتند. علاوه بر این نمره نخ تار و پود و یا تراکم آن ها ممکن است در قسمت های مختلف پارچه متفاوت باشد.
رویکرد Backer برای محاسبه حداقل مساحت منفذ، وقت گیر و مشکل است و تنها شکل دو بعدی سلول بافت و منفذ را ارائه می کند. نفوذپذیری هوا با حداقل مساحت سطح مقطع منفذ رابطه دارد ولی نفوذپذیری سیالات از جمله رزین ها و مایعات به شکل سه بعدی و حجم منافذ وابسته است. برای مدل سازی محیط متخلخل، هندسه سه بعدی دقیق سلول های بافت و منافذ پارچه مورد نیاز است. چنین مدلی در تحقیقات بررسی شده مشاهده نشد.
نویسنده در مقاله سال 1393 خود آورده است که روش های مختلفی با هدف شبیه سازی مدل Backer از جمله روش های پزشکی مثل MRI، پرتودهی اشعه X، سی تی اسکن و نیز اسکنر های نوری، دوربین های دیجیتالی، میکروسکوپ های الکترونی عبوری و پویشی، لیزر و BET را بررسی نموده که هیچ کدام نیازهای تحقیق را برآورده ننموده است، چرا که یا تصویر دو بعدی ارائه نموده و یا وضوح یا کنتراست پایین، هزینه بالا، زمان بری زیاد یا شرایط تهیه نمونه یا تصویربرداری سختی داشته اند. با توجه به قابلیت های نرم افزار CATIA مانند وجود ماژول مونتاژ و خروجی مناسب برای نرم افزارهای تحلیلی بعدی مثل FLUENT برای طراحی هندسه پارچه تاری پودی در مقیاس meso انتخاب نموده است و سپس روش Backer را با نرم افزار مذکور شبیه سازی نموده و نتایج را مقایسه نموده است.
[7] در مقاله دیگر نویسنده در سال 1395 شبیه سازی با استفاده از قابلیت های نرم افزار CATIA اصلاح شده و روشی سریع، دقیق و ساده ارائه گردیده است و سپس شکل سه بعدی سلول های 4 گانه بافت و منافذ آن در پارچه های تاری پودی برای سطح مقطع دایره نخ شبیه سازی شده است. [8] در مواد کامپوزیتی این روش برای محاسبه جرم و حجم رزین مفید است و می توان از مدل نرم افزاری برای پیش بینی رزین استفاده کرد. [9] از قابلیت های این روش، تغییر سطح مقطع نخ و ساختمان پارچه است. به عنوان مثال در بسیاری از پارچه های تقویت کننده، سطح مقطع نخ دایره نیست. شکل سطح مقطع عدسی توسط تعدادی از محققان گزارش شده است. [10]
شبیه سازی نرم افزاری
فرضیات مورد استفاده عبارتند از: - 1 نخ های تار و پود سطح مقطع عدسی و توپر دارند، - 2 نخ های تار و پود تداخل با همدیگر ندارند، این کار از طریق تعریف قیود صورت می گیرد، - 3 مدل و فرضیات pierce برای هندسه سلول های بافت پارچه تاری پودی برقرار است، - 4 قطر نخ برابر نصف ضخامت پارچه است. در بخش طراحی CATIA ، قسمت Sketch و Assembly در محیط mechanical design مورد استفاده قرار گرفت. برای این منظور ابتدا mechanical design از منوی start انتخاب شد و سپس با انتخاب part design فایل مورد نظر ایجاد شد. مکعب مستطیل به ابعاد فاصله تاری، فاصله پودی و ضخامت پارچه ترسیم شده و سپس با استفاده از دستور remove مقطع نخ ها در سلول بافت حذف شد. لازم به ذکر است که شکل عدسی را می توان با همپوشانی دو دایره - شکل - 2 رسم نمود.
تطابق شبیه سازی و بحث
برای مطابقت شبیه سازی، نتایج روش نرم افزاری می تواند برای محاسبه حجم استفاده شود. به منظور مقایسه نتایج نرم افزار با آنالیزهای واقعی، نمونه های پارچه شیشه تقویت شده با رزین اپوکسی با استفاده از روش وکیوم - VI - در شرایط خلاء 0,6 bar تهیه گردید. مشخصات رزین و هاردنر در جدول 1 آمده است. ویژگی های سه نوع پارچه مختلف با بافت تافته مورد استفاده در این تحقیق در جدول 2 آورده شده و مقادیر اندازه گیری و محاسبه شده در جدول 3 و 4 ارائه شده است.
