Tilda Publishing

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СОВРЕМЕННЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ ВЕРЕВОК

ЧАСТЬ 2: СТОЙКОСТЬ К ИСТИРАНИЮ, УСТОЙЧИВОСТЬ К ПОРЕЗАМ И КОЭФФИЦИЕНТ ТРЕНИЯ

Источник: sacidkordas.com
Материал написан в марте 2025.
Имейте это в виду и делайте скидку на актуальность.
В части I данного материала мы рассмотрели основные текстильные материалы (полимеры), применяемые в наше время для производства синтетических канатно-верёвочных изделий. Там же мы кратко описали их структуру и затронули основные качественные характеристики, такие как плотность, прочность и упругость.

В этой части мы продолжим исследовать свойства полиамида, полиэфира, арамида, сверхвысокомолекулярного полиэтилена и других примечательных материалов, экстраполируя полученные знания на характеристики, конструкции и примеры современных веревок.

Стойкость к истиранию

Стойкость к истиранию (англ. abrasion resistance) – это способность материала сопротивляться механическому износу при трении о другую поверхность или части самого материала.

В контексте текстильных материалов в целом и верёвок в частности истирание бывает двух типов: внешнее и внутреннее.

Внешнее истирание

Внешнее истирание (англ. external abrasion) или поверхностное истирание (surface abrasion) – это процесс износа, происходящий на внешней поверхности текстильного материала при контакте с шероховатыми поверхностями, острыми кромками или абразивными* частицами.

В результате внешнего истирания происходит постепенное разрушение наружных слоев: материал становится более ворсистым (распушается), теряет массу и толщину, отдельные его волокна повреждаются и разрываются, что, в свою очередь, снижает общую прочность и долговечность изделия.
Износ верёвок о скальную поверхность
Одной из причин износа и снижения срока службы альпинистских верёвок является контакт с шероховатой поверхностью скал.
Источник: edelrid.com

*Абразивы – это особо твёрдые и обладающая высокой шероховатостью (совокупностью неровностей) частицы или поверхности, приводящие к ускоренному износу текстильных материалов при механическом контакте.

На момент написания данной статьи не существует единого (общепринятого) стандарта для оценки стойкости верёвок и используемых для их производства текстильных материалов к внешнему истиранию. В результате, в различных источниках данные о долговечности могут различаться в зависимости от:

  • Методов испытаний, будь то плоское истирание по Мартиндейлу (стандарты ISO 12947, ГОСТ Р ISO 12947 и ASTM D4966), Таберу (ASTM D3884), истирание с изгибом (ASTM D3885) или др.
  • Условий испытаний: степени нагрузки, ее частоты, а также характера абразивной поверхности.
  • Свойств материалов и характеристик конкретного волокна.

Тем не менее общая закономерность такова:

PA > HMPE > PES > LCP > Aramid > PBO > PE ≥ PP

Стойкость к истиранию материалов в сухом состоянии от большего к меньшему.

Стойкость к внешнему истиранию текстильных материалов, применяемых для производства альпинистских верёвок
*Полипропилен и полиэтилен обладают низкой температурой плавления. Поэтому, подвергаясь интенсивному трению, веревки из этих материалов склонны разрушаться скорее от оплавления, нежели от истирания.
Количество циклов, выдерживаемых различными синтетическими волокнами при испытаниях на истирание о металл
Количество циклов выдерживаемых различными синтетическими волокнами при испытаниях на истирание о металл под относительной нагрузкой 0.9 гс/дтекс, согласно японскому стандарту JIS L 1095:1999.
Источник: «High-Performance and Specialty Fibers», 2016.

Как вы могли заметить, стойкость к истиранию арамида отнюдь не высока, особенно в сравнении с крайне распространенным и недорогим нейлоном. Тем не менее арамид часто позиционируют как высокотехнологичный материал для эффективной защиты от истирания самых разных изделий – от перчаток до веревок. И этому есть объяснение. Дело в том, что арамид обладает высокой прочностью на разрыв, а также термо- влаго- и порезоустойчивостью – именно теми качествами, которых не хватает тому же нейлону. А как только в зону истирания приходит высокая температура (что всегда происходит при интенсивном трении) или повышается влажность, нейлон быстро теряет и без того невысокую прочность и износостойкость, тогда как арамид продолжает держать удар. Именно поэтому его «средненькая» стойкость к истиранию на деле зачастует работает лучше, чем чья-то «отличная». Подробнее о влиянии температуры и влаги на полимерные материалы читайте в III части данного материала.

Внутреннее истирание

Внутреннее истирание (англ. internal abrasion), также известное как межпрядное истирание (inter-strand abrasion) или самоистирание (yarn on yarn abrasion) – это процесс износа, происходящий внутри текстильного материала в результате циклической нагрузки.
Механизм внутреннего истирания верёвок
Когда верёвка нагружается на растяжение или изгиб, её волокна, нити и пряди растягиваются и смещаются относительно друг друга. Вместе с тем их спиральная структура подвергается радиальному сжатию, создавая силу, перпендикулярную их поверхности и стремящуюся ограничить их относительное скольжение. Оба этих процесса – взаимное сжатие и сдвиг – становятся источниками трения, а трение, в свою очередь, вызывает механический износ, выражающийся в истирании, повреждении и разрушении элементов верёвки.

В процессе трения начинает накапливаться тепло, вызывая повышение температуры в зоне истирания. Это размягчает поверхность волокон, снижает их исходные механические свойства, ускоряет деградацию и разрушение. По мере накопления повреждений на волокнах появляется ворсистость, а обломанные части скапливаются на краях зон истирания, ещё больше увеличивая трение.

Со временем, под воздействием повторяющихся нагрузок, трения и температуры, на поверхности волокон возникают или начинают распространяться микротрещины (часто они являются исходными дефектами, появившимися ещё на этапе производства материала). Эти трещины развиваются перпендикулярно направлению трения, вызывая фибриллирование (расщепление) волокон и дальнейшее ухудшение их структуры.

Таким образом, многократные циклы нагружения и расслабления вызывают прогрессирующее ослабление прочности верёвки, что в конечном итоге приводит к её усталостному разрушению.
Распространение поперечных трещин и продольное фибриллирование нити из высокомодульного полиэтилена марки Spectra® -1000 по мере увеличения количества циклов истирания
Распространение поперечных трещин и продольное фибриллирование нити из высокомодульного полиэтилена марки Spectra® -1000 по мере увеличения количества циклов истирания от 0 (a) до 2000 (e) во время испытаний по стандарту ASTM D6611.
Источник: «Yarn on yarn abrasion failure mechanism of ultrahigh molecular weight polyethylene fiber», 2021
Для тестирования степени внутреннего истирания текстильных материалов, используемых для производства верёвок, применяются следующие стандарты:

  • Стандарт американского общества по испытаниям и материалам: ASTM D6611 «Standard Test Method for Wet and Dry Yarn-on-Yarn Abrasion Resistance».

  • Стандарт американского института канатно-верёвочных изделий: Cordage Institute (CI) 1503 «Test Method for Yarn-on-Yarn Abrasion, Wet and Dry».

Факторы, влияющие на стойкость к истиранию вёревок

Стойкость к истиранию синтетических верёвок определяют следующие факторы:

1) Структурные свойства применяемых полимеров. Так, материалы с гибкими полимерными цепями, такие как полиамид (PA), полиэфир (PES) и высокомодульный полиэтилен (HMPE), обычно демонстрируют лучшую стойкость к истиранию по сравнению с материалами с жёсткими полимерными цепями, такими как арамид (Aramid) и полиарилат (PAR / LCP).

Однако стоит отметить, что гибкоцепные материалы значительно уступают жесткоцепным в термостойкости, поскольку в отличие от последних не содержат бензольных колец в своей структуре. Поэтому в условиях высокочастотного истирания, когда тепло не успевает рассеиваться в зоне трения, гибкоцепные волокна изнашиваются гораздо быстрее. Жесткоцепные же материалы, благодаря присущей им термостойкости, менее подвержены износу при высоких температурах. Однако их естественная жёсткость и низкая вязкость** приводят к повышенной фибрилляции волокон в процессе истирания, что способствует образованию ворсинок и снижению общей стойкости к износу по сравнению с гибкоцепными материалами.
Испытание стойкости к истиранию альпинистской верёвки
Гибкоцепная полимерная структура нейлона обеспечивает высокую степень удлинения, упругого восстановления* и вязкости** его волокон, благодаря чему верёвки из этого материала обладают выдающейся стойкостью к многократным деформациям и истиранию. Однако стойкость к истиранию нейлона значительно снижается во влажной среде и при нагреве (например в условиях высокочастотного истирания), поэтому в таких условиях чаще используют более стабильные верёвки из полиэфира (полиэстера).
Источник: youtube.com/@RopeLab

*Упругое восстановление (англ. elastic recovery) – это степень восстановления длины материала после снятия внешней нагрузки. Рассчитывается как отношение упругого удлинения к общему удлинению, выраженное в процентах.


**В контексте твёрдых тел, вязкость (англ. toughness) – это способность материала поглощать механическую энергию перед разрушением. Вязкость является функцией прочности (сопротивления разрушению под нагрузкой) и пластичности (способности к необратимой деформации перед разрушением) материала. В текстильной промышленности мерой вязкости волокон часто выступает работа разрыва (work of rupture) – количество энергии, поглощаемое материалом перед его полным разрушением при растяжении. Работа разрыва соответствует площади под кривой на диаграмме деформирования и измеряется в единицах работы (например, джоулях (Дж) или N⋅cm). Удельная работа разрыва (specific work of rupture) измеряется в N/tex.

2) Текстильные характеристики материала, в частности:

  • Размер (англ. fineness – дословно «тонкость»), выраженный через диаметр поперечного сечения или линейную плотность волокна. Как правило, чем больше диаметр волокон, тем те более стойки к самоистиранию. Объясняется это тем, что в условиях высоких циклических нагрузок, более крупные волокна обеспечивают меньшую площадь взаимного контакта, тем самым снижая трение и тепловыделение.
Зависимость между диаметром волокон LCP и количеством выдерживаемых ими циклов нагрузки при испытании на самоистирание
По мере увеличения диаметра волокон LCP, увеличивается и количество выдерживаемых ими циклов нагрузки при испытании на самоистирание.
Источинк: «Structure and Properties of High-Performance Fibers» by Gajanan Bhat, 2016
  • Плотность (англ. density). Увеличение количества волокон на единицу нити способствует более высокой когезии*, распределению нагрузки и износа на большее число точек контакта, а также снижению пористости (свободного пространство между нитями) материала, шероховатости поверхности и её коэффициента трения (подробнее о последнем см. далее). В совокупности всё это улучшает стойкость материала к внешнему истиранию.

Когезия (англ. cohesion от лат. cohaesus — «связанный», «сцепленный») — связь между молекулами однородного материала. Когезия характеризует прочность тела и его способность противостоять внешнему воздействию.

Плетеные веревки с 8/16/24/32/48-прядными оплетками
Плетёные веревки с 8/16/24/32/48-прядными оплетками.
Чем выше прядность оплетки, тем тоньше по диаметру и плотнее по расположению отдельные составляющие ее нити и волокна (при равном диаметре веревки) и тем выше устойчивость веревки к внешнему истиранию.
Источник: marlowropes.com
  • Крутка (англ. twist) – число кручений (витков) на единицу длины текстильного материала. Высокая степень крутки усиливает плотность прилегания волокон друг к другу, ограничивает их подвижность и снижает риск выбивания и повреждения. Вместе с тем увеличивается жёсткость материала, что препятствует чрезмерной его деформации под давлением и уменьшает площадь контакта с истирающей поверхностью.

  • Ворсистость (англ. hairiness). Повышенная ворсистость, заключающаяся в большом количестве выступающих и легко отделяющихся волокон, увеличивает трение и способствует дополнительным потерям массы, тем самым оказывая негативное влияние на стойкость к истиранию текстильного материала. Сильнее ворсятся во время истирания волокна материалов с жёсткими полимерными цепями, содержащими бензольные кольца, в частности арамиды и полиарилаты. Меньшее же количество и более короткие ворсинки образуют во время истирания волокна с гибкими цепями, такие как высокомодульный полиэтилен и полиэфир.
3) Пропитка (англ. coating): как базовые материалы на одном из этапов производства, так и уже готовые верёвки могут обрабатываться специальными составами (пропитками) для улучшения их стойкости к истиранию.

В зависимости от предназначения верёвки и условий её эксплуатации, выбор пропитки может отличаться. Так, одни составы, образуя плёнку на внешней поверхности материала, способны повышать коэффициент трения, улучшать сцепление верёвки с поверхностью, уменьшать ее проскальзывание и предотвращать связанный с проскальзыванием избыточный нагрев. Другие, напротив, выполняя роль смазки скольжения и теплопроводника, снижают внутреннее истирание при циклических нагрузках, уменьшают трение о другие поверхности и способствуют рассеиванию тепла, что в конечном итоге повышает износостойкость верёвки.

Не менее важной функцией пропиток является защита материала от впитывания влаги, которая может негативно воздействовать на некоторые из них. Так, например, на полиамид вода действует как пластификатор, ослабляя его водородные связи на молекулярном уровне. Это приводит к увеличению растяжения материала под нагрузкой, снижению его способности к поглощению энергии рывка, а также ухудшению устойчивости к истиранию и разрыву.

Подробнее о влиянии воды на полиамидные верёвки мы рассказывали в статье «Влияние воды на свойства динамических верёвок».
Пропитка альпинистской веревки специальным составом для придания той влагозащитных свойств и увеличения стойкости к истиранию.
Источник видео: Tendon, WeighMyRack
Видео испытаний синтетических альпинистских веревок от компании Mammut, наглядно демонстрирующее разницу между стойкостью на истирание моделей с пропиткой и без.
4) Состояние: мокрые, изношенные и грязные (то есть имеющие в своей структуре абразивные частицы вроде песка и пыли) материалы и верёвки будут менее стойкими к истиранию, чем их сухие, новые и чистые аналоги.
Тест на стойкость к внешнему истиранию альпинистской верёвки
Чем грязнее веревка, тем быстрее истирается и пушится её оплётка. Чем сильнее пушится оплётка, тем легче в неё въедается новая грязь. Чем больше грязи и пушистее оплётка, тем сильнее верёвка становится похожа на наждачку. Чем сильнее верёвка похожа на наждачку, тем быстрее изнашиваются устройства и поверхности, с которыми она контактирует.
Источник: youtube.com/@HardIsEasy
5) Внешние условия, например:

  • Характер поверхности, с которой контактирует материал: размер и геометрическая форма точек контакта, их острота, твёрдость, шероховатость, теплопроводность и т.д.

  • Степень нагрузки, частота нагрузки (натяжения) и степень прижатия (давления) материала к истирающей поверхности.
  • Скорость протяжки материала об истирающую поверхность. При медленном движении волокна материала успевают деформироваться, восстанавливать форму, перераспределять нагрузки и снижать локальные напряжения. С увеличением скорости время контакта материала с абразивной поверхностью сокращается, но его волокна не успевают адаптироваться к возрастающему механическому воздействию, что приводит к их более хрупкому разрушению. Кроме того, из-за возросшей интенсивности трения усиливается риск локального термического нагрева, что может приводить к размягчению или оплавлению материалов с низкой термостойкостью (например, PE, HMPE, PP, PA) и снижение их механических характеристик, включая стойкость к истиранию.
Трение верёвки о скалу
Источник: youtube.com/@mammutvideo
  • Условия окружающей среды: влажность, температура, воздействие химических веществ и т.д.

Про влияние температуры мы уже упоминали. Что касается влаги, её воздействие на стойкость к истиранию синтетических верёвок зависит от типа используемых материалов и условий нагружения.

В ряде случаев вода может оказывать положительное влияние: снижая коэффициент трения между прядями и волокнами, она уменьшает внутреннее (само)истирание, а за счёт снижения трения с внешними поверхностями повышает стойкость к внешнему износу. Кроме того, вода выполняет функцию охлаждения, что особенно важно для материалов с низкой термоустойчивостью (PE, HMPE, PP).

Однако влияние влаги может быть и отрицательным: так, в случае PA, Aramid и PBO вода выступает в качестве пластификатора*, а также становится причиной гидролиза**, приводя к ослаблению и разрушению молекулярных связей, снижению износостойкости и ухудшению других механических свойств этих материалов.

*Пластификатор – вещество, повышающее эластичность и пластичность полимерного материала.


**Гидролиз – это химическая реакция между веществом и водой, в результате которой происходит разложение этого вещества и воды с образованием новых соединений.

Количество циклов нагрузки, выдерживаемых нитями из различных материалов в сухом и мокром состоянии
Сравнение количества циклов нагрузки, что выдерживают нити из различных материалов в сухом (dry) и мокром (wet) состоянии при испытании на стойкость к самоистиранию по стандарту CI-1503.
Источник: kuraray.com

Для придания статье большей универсальности, мы постарались сфокусироваться на свойствах текстильных материалов в широком смысле, не углубляясь излишне в детали готовых изделий. Именно поэтому среди факторов, влияющих на стойкость к истиранию отсутствует такой важный аспект, как конструкция, в нашем случае, верёвок. Если же читатель, как и автор данной статьи, заинтересован именно в этих изделиях, то при оценке стойкости к истиранию (как, впрочем, и других параметров) ему следует дополнительно учитывать многочисленные конструктивные особенности верёвок, в частности их тип (кручёная / плетёная), степень закрученности и натяжения прядей, рисунок и угол их переплетения, соотношение сердечника и оплётки, их взаимодействие и многое другое.

Ещё одним параметром, влияющим не только на стойкость к истиранию, но и другие характеристики текстильных материалов, применяемых для производства современных верёвок, является коэффициент трения. Остановимся на нём подробнее.

Коэффициент трения

Коэффициент трения (англ. coefficient of friction, CoF) – это безразмерная величина, характеризующая сопротивление движению одного тела по поверхности другого. Определяется как отношение силы трения между двумя телами к силе, прижимающей их друг к другу.

Коэффициент трения зависит от:
  • Свойств и характеристик взаимодействующих материалов: их формы и склонности к деформации (сплющиванию), текстуры поверхности, наличия загрязнений и специальных покрытий (пропиток).
  • Степени давления и скорости скольжения.
  • Условий эксплуатации, в частности температуры и влажности.

Коэффициенты трения могут варьироваться от значений, близких к нулю, до превышающих единицу. Низкий коэффициент трения означает, что материал (например, HMPE) легко скользит по поверхности, требуя минимальных усилий, и при прочих равных условиях, менее подвержен износу. Напротив, материалы с высоким коэффициентом трения (Aramid, PBO) характеризуются отличным сцеплением с поверхностью, но из-за повышенного трения сильнее нагреваются и быстрее изнашиваются.

Когда говорят, что материал обладает определённым коэффициентом трения, обычно имеют в виду усредненные или типичные значения его трения в контакте с распространенными поверхностями. Например, коэффициент трения HMPE чаще всего указывается относительно стали, а трение резины обычно оценивается по её взаимодействию с асфальтом. В инженерных же и научных работах (ни той ни другой данная статья не является) коэффициент трения приводят в контексте пары материалов, например, «коэффициент трения нейлона по стали».
Коэффициенту трения синтетических волокон
Ориентировочные данные по коэффициенту трения некоторых материалов для их базового сопоставления.
Источник: awrf.org
Коэффициент трения бывает двух типов:

1) Статический коэффициент трения (англ. static CoF) – это коэффициент, который характеризует сопротивление началу скольжения между двумя поверхностями. Он измеряется в момент, когда сила, приложенная к одному из объектов, еще недостаточна для начала его скольжения. Как правило, статический коэффициент трения выше динамического, потому что для начала движения требуется преодолеть сцепление между поверхностями, то есть своего рода «липкость».

В случае веревок, СКТ материала представляет важное практическое значение, поскольку он определяет степень их сцепления с различными поверхностями и элементами снаряжения и напрямую связан с силой, при которой будет происходить их проскальзывание. Таким образом, статический коэффициент трения можно использовать, например, для оценки надёжности удержания верёвки во время швартовки, при работе со страховочно-спусковыми устройствами, а также для прогнозирования проскальзывания завязанных с её помощью узлов.
2) Динамический (англ. dynamic) или кинетический коэффициент трения (kinetic CoF) – это коэффициент, который характеризует сопротивление движению между двумя поверхностями, когда одно из тел уже находится в движении относительно другого. Динамический коэффициент трения обычно ниже статического, потому что при движении поверхности не так сильно сцепляются друг с другом.

Поскольку трение скольжения вызывает истирание материала и интенсивное выделение тепла, ускоряющего износ, динамический коэффициент трения является важным показателем стойкости к истиранию и долговечности веревок. Он также отражает плавность и контроль протягивания веревок через различные устройства и поверхности. Низкий же коэффициент внутреннего трения между прядями и волокнами верёвки не только повышает её стойкость к внутреннему истиранию, но и способствует равномерному распределению напряжений, что обычно увеличивает прочность веревки.
Динамический коэффициент трения при взаимодействии волокон текстильных материалов с металлом
Сравнение динамического коэффициента трения при взаимодействии с металлом волокон некоторых текстильных материалов в сухом (англ. dry) и влажном (wet) состоянии под относительной нагрузкой 22.2 мН/текс со скоростью 100 м/мин согласно стандарту ASTM D3108 / D3108M.
Источник: hwstock.org

Устойчивость к порезам

Устойчивость к порезам (англ. cut resistance) – это способность материала или изделия противостоять повреждениям, вызванным воздействием на него острых объектов.

В отличие от стойкости к истиранию, которая отражает долговечность материала при продолжительном контакте с шероховатыми или абразивными поверхностями, устойчивость к порезам показывает, насколько материал способен противостоять резкому локальному воздействию острых предметов или краев.

Острым в данном контексте называют такие объекты, которые имеют небольшую площадь контакта с материалом, что приводит к повышенному давлению на его поверхность и увеличивает вероятность разрыва или пореза. Это могут быть как режущие инструменты (ножи, лезвия) или части конструкций (тонкие металлические углы) так и природные элементы с характерными заострёнными краями – обломки камней и льдин, кромки скал и т.д.
Перерезание об острый край – одна из основных опасностей для альпинистских веревок.
Источник: edelrid.com, youtube.com/@HardIsEasy
С учетом того, что устойчивость к разрезанию каждого конкретного материала зависит от множества факторов (подробности см. далее), общая закономерность такова:
Устойчивость к разрезанию текстильных волокон, применяемых для производства альпинистских верёвок

Механизм разрезания материала

Для того чтобы под воздействием нормальной силы* и скользящего движения острого объекта на материале образовался разрез, режущая кромка должна преодолеть:

  • Молекулярную когезию (англ. molecular cohesion) – силу сцепления между молекулами однородного материала, определяющую его прочность и способность противостоять внешнему воздействию.

  • Молекулярную адгезию (molecular adhesion) между разрезаемым материалом и боковыми гранями лезвия. Адгезия (от лат. adhaesio – «прилипание») представляет собой сцепление поверхностей разнородных тел при их контакте за счёт межмолекулярных или химических взаимодействий.

  • Гистерезисное трение (англ. hysteresis friction) – вид трения, связанный с внутренними потерями энергии в деформируемом материале при контакте с другой поверхностью. Оно обусловлено вязкоупругими свойствами материала и циклическими деформациями (сжатием и расслаблением) в зоне контакта с лезвием. Эти процессы приводят к рассеиванию части энергии в виде тепла и увеличивают сопротивление разрезанию.

*Нормальная сила (англ. normal force) – это сила, действующая перпендикулярно (нормально) к поверхности контакта между двумя телами. Она возникает как реакция опоры или другой контактной поверхности на приложенное к ней тело.


** Вязкоупругость (англ. viscoelasticity) – это свойство материалов проявлять как вязкое течение, так и упругую деформацию в зависимости от времени и условий нагрузки.

Международные стандарты, применяемые для оценки устойчивости текстильных материалов к порезам

  • Стандарт Международной организации по стандартизации: ISO 13997 «Protective clothing – Mechanical properties – Determination of resistance to cutting by sharp objects».

  • Европейский стандарт: EN 388 «Standard for Protective Gloves Against Mechanical Risks», а также его отечественная адаптация – ГОСТ EN 388.

  • Стандарт американского общества по испытаниям и материалам: ASTM F1790 «​​Standard Test Method for Measuring Cut Resistance of Materials Used in Protective Clothing with CPP Test Equipment».

  • Стандарт Американского национального института стандартов: ANSI/ISEA 105 «American National Standard For Hand Protection Classification».
Аппарат TDM-100, применяемый для тестирования текстильных материалов на устойчивость к истиранию
Аппарат «TDM-100», применяемый для тестирования текстильных материалов на устойчивость к истиранию по стандартам ISO 13997, ASTM F1790 и ANSI/ISEA 105. Методы испытаний по данным стандартам основаны на принципе измерения расстояния, которое проходит горизонтально скользящее лезвие до полного разрезания материала при заданной нормальной силе прижима.
Источник: youtube.com/@PipusaInc
Устойчивость к порезам ряда текстильных материалов, измеренная по стандарту ASTM F1790-97
Устойчивость к порезам ряда материалов, измеренная по стандарту ASTM F1790-97.
Ось Y отражает нагрузку в граммах-силы (gf), а ось X – поверхностную плотность ткани в унциях на квадратный ярд (oz/yd²).
«CRF PET» – это модифицированный (армированный) материал, чьи показатели можно не учитывать.
Источник: «Cut resistant fiber and textiles for enhanced safety and performance in industrial and commercial applications», 1999

К сожалению, на момент написания данной статьи универсального и общепризнанного стандарта для оценки устойчивости канатно-верёвочных изделий к порезам не существует. Несмотря на многочисленные попытки, предпринимаемые как авторитетными организациями, такими как Международный союз альпинистских ассоциаций (UIAA), так и отдельными исследователями и производителями веревок, предложенные методики – как динамические, так и статические – не получили широкого распространения. Причинами тому стали нестабильные результаты, сложность организации испытаний и другие факторы. Однако один из последних методов, разработанный немецкой компанией Edelrid, отметить всё же стоит.

Факторы, определяющие устойчивость текстильных материалов к порезам

К факторам, влияющим на устойчивость к порезам синтетических верёвок в частности и текстильных материалов (волокон, нитей и прядей) в целом, относятся:

1) Структурные свойства полимера, а именно:

  • Упругость (эластичность). С увеличением модуля Юнга возрастает вероятность образования и распространения микротрещин под давлением лезвия. Поэтому чем ниже модуль, тем (при прочих равных) выше устойчивость материала к порезам.

  • Вязкость. Определяет способность материала поглощать энергию и, как и модуль Юнга, влияет на сопротивление образованию и распространению микротрещин под воздействием лезвия.

  • Твёрдость (англ. hardness). Чем твёрже материал, тем сложнее лезвию проникнуть в его поверхность. Кроме того, при контакте с твёрдым материалом лезвие испытывает повышенный износ, что увеличивает вероятность его затупления и снижает эффективность резки. Однако чрезмерная твёрдость приводит к хрупкости*.

  • Термическая стойкость. Трение при контакте с лезвием может приводить к локальному нагреву материала, что в случае термочувствительных волокон снижает их механические свойства и устойчивость к порезам.

*Хрупкость (англ. brittleness) – это свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Является противоположным свойству пластичности.


*Хрупкий разрыв – это тип разрушения, при котором в материале отсутствуют пластические или вынужденные высокоэластические деформации как в объёме образца, так и в зоне трещины. Даже небольшая трещина в нагруженной области конструкции способна быстро распространиться, что может привести к катастрофическим последствиям.

2) Текстильные характеристики материала:

  • Структура материала. В зависимости от того, является ли материал плетёным, прядёным, тканым, кручёным и т.д., существенно различаются его плотность, гибкость (растяжимость), способность к перераспределению нагрузки, а также другие характеристики, напрямую влияющие на устойчивость к порезам. Недаром альпинистские веревки изготавливаются по конструкции kernmantle, подразумевающей наличие высокопрочного крученого сердечника и защищающей его плетёной оплетки, структура которой обладает повышенной устойчивостью к порезам.

  • Линейная плотность составляющих его волокон и нитей. Здесь всё неоднозначно и зависит от конкретных условий. С одной стороны, тонкие волокна разрушаются быстрее, поскольку напряжение при разрезании концентрируется на меньшей площади. С другой стороны, тонкие волокна сильнее изгибаются и с большей вероятностью смещаются под давлением лезвия, тем самым рассеивая энергию на большую площадь и препятствуя разрезанию. Поэтому при должной плотности (см далее) изделие из более тонких волокон может не уступать и даже превосходить в плане устойчивости к порезам изделие из более толстых волокон, при учете их одинаковых размеров и массы.

Стоит понимать, что размер или диаметр изделия (например, той же верёвки) сами по себе не определяют его устойчивость к порезам. Эти параметры лишь косвенно отражают количество энергии и работы, необходимые для разрезания, поскольку лезвие должно пройти расстояние, пропорциональное толщине материала. Короче говоря, более толстый материал (при прочих равных условиях) не обладает большей стойкостью к порезам, но удлиняет путь лезвия, увеличивая энергозатраты и время на разрезание.

Связь между диаметром верёвки и количеством энергии, необходимым для ее полного разрезания.
Связь между диаметром верёвки и количеством энергии, необходимым для ее полного разрезания.
Испытания проводилось на нейлоновых альпинистских (динамических) верёвках фирмы Mammut под нагрузкой 10 кН. Отклонение показателей модели диаметром 9,7 мм (выделено красным) объясняется тем, что ее пропитка отличалась от всех остальных испытанных моделей. Обратите внимание, что, несмотря на, относительно небольшую разницу в диаметре между самой тонкой (8,7 мм) и самой толстой (10,2 мм) верёвкой, количество энергии, необходимое для их разрезания, отличается практически в 3 раза.
Источник: «On the analysis of cut resistance in polymer-based climbing ropes», 2017
  • Плотность материала. По общему правилу, чем выше количество волокон, нитей или прядей на единицу площади материала, тем сложнее тот поддается разрезанию. Объясняется это:

а) Распределением нагрузки – высокая плотность волокон означает, что большее их количество одновременно принимает на себя воздействие лезвия, снижая локальное напряжение и замедляя процесс прорезания.

б) Увеличением трения – увеличение суммарной площади контакта волокон с лезвием повышает силу трения, что дополнительно замедляет процесс резания.

Однако чрезмерно плотное расположение нитей может ограничить их подвижность, из-за чего они не смогут отклоняться от пути движения лезвия. В результате лезвию потребуется преодолеть меньшее расстояние и затратить меньше энергии для полного разреза. А значит для максимальной устойчивости к порезам существует оптимальное значение плотности материала.
Слева: веревки фирмы Teufelberger с 16/32/48-прядными оплётками.
Справа: варианты плетения оплёток фирмы Tendon, где «Tandem» это попарное плетение, а «SBS» (англ. Simple Braiding System) – простое.
Несмотря на наименьший диаметр прядей, более плотное 48-прядное SBS плетение обеспечивает наибольшую среди представленных вариантов устойчивость к порезам и истиранию.
Источник: teufelberger.com, mytendon.com
3) Коэффициент трения влияет на устойчивость к порезам по-разному. Так, высокий коэффициент трения между материалом и режущей кромкой облегчает разрезание, а вот высокое трение между материалом и боковыми гранями лезвия, наоборот, способствует рассеиванию энергии и замедлению резания. Низкий же коэффициент трения может предотвратить углубление лезвия в материал, заставляя его скользить по поверхности без захвата волокон. Поэтому материалы с гладкой и «скользкой» поверхностью (например, HMPE) или обработанные составами, снижающими трение, способны уменьшать вероятность пореза как такого или снижать его эффективность.
4) Наличие и свойства пропитки. В зависимости от состава, пропитки и покрытия способны как уменьшать устойчивость материалов к порезам, так и значительно увеличивать её, например за счёт:

  • Повышения адгезии материала к лезвию.
  • Увеличения трения между материалом и режущим объектом.
  • Заполнения микропор и укрепления полимерной матрицы, благодаря чему формируется более плотный, механически устойчивый слой, препятствующий проникновению лезвия.
  • Ограничения подвижности волокон и перераспределения нагрузки, что предотвращает их раздвижение и концентрацию усилия на отдельных нитях.
  • Улучшения рассеивания и отвода тепла.
Устойчивые к порезам арамидные перчатки
Защитные перчатки обеспечивают устойчивость к порезам благодаря использованию высокопрочных материалов (например, арамида и UHMWPE), плотного и многослойного плетения, а также дополнительным защитным покрытиям, что увеличивают трение, перераспределяют нагрузку и препятствует проникновению лезвия в материал.
5) Внешние условия

  • Характеристики режущего объекта:
Острота: более острое (тонкое) лезвие требует меньше энергии для инициации разрушения волокон материала, так как оказывает более высокое давление на меньшую площадь контакта, облегчая проникновение в структуру ткани.

Твёрдость: чем выше твёрдость режущего объекта, тем дольше он сохраняет остроту и эффективность реза, снижая вероятность затупления при контакте с разрезаемым материалом.

Геометрия режущей кромки: так, например малый угол заточки увеличивает остроту лезвия, снижая усилие, необходимое для разрезания материала, а зубчатая или волнообразная кромка разрушает структуру ткани за счет зацепления за поверхность и разрыва волокон.


  • Степень нагрузки (натяжения). При натяжении текстильного материала уменьшается энергия, необходимая для его разрезания. Причиной тому:
Снижение линейной плотности. Натяжение приводит к уменьшению диаметра и площади поперечного сечения волокон, нитей и прядей. В результате сокращается площадь контакта с лезвием, что концентрирует силу резания на меньшей поверхности и снижает общее сопротивление материала.

Выпрямление волокон. В натянутом состоянии волокна теряют возможность деформироваться и смещаться относительно друг друга, что делает их менее способными к рассеиванию нагрузки и, соответственно, более уязвимыми к порезам.

Более того, в момент, когда острый объект прорезает часть нагруженного материала (например, верёвки) оставшимся прядям, нитям и волокнам приходиться принять на себя возросшую нагрузку. Это может привести либо к их мгновенному разрыву, либо, если позволяет прочность, к их дополнительному растяжению, уменьшению в диаметре и нагреву. В совокупности все эти процессы повышают вероятность дальнейшего разрезания материала.
  • Скорость резания (англ. cutting speed или cutting velocity). Увеличение скорости резания снижает усилие, необходимое для прорезания текстильного материала. Это обусловлено сокращением времени взаимодействия лезвия с материалом, что ограничивает способность составляющих его волокон к деформации, поглощению энергии и перераспределению напряжений. В результате разрушение приобретает более хрупкий характер (т.е. становится менее пластичным), снижая сопротивление материала порезам.
Зависимость между скоростью резания и максимальной силой, необходимой для разрезания кевларовой и углеродной нитей
Зависимость между скоростью резания и максимальной силой, необходимой для разрезания кевларовой и углеродной нитей.
Источник: «Evaluation of cutting force of high-performance fibers’ dynamic cutting behaviour», 2021
  • Условия окружающей среды:
Температура. Повышенная температура может приводить к размягчению и деградации материалов с низкой термостойкостью (например PE, HMPE, PP, PA) за счёт снижения прочности и эластичности волокон, а также их устойчивости к порезам. Низкие же температуры делают материалы более хрупким, особенно если те содержат влагу, которая при замерзании снижает способность волокон к пластической деформации, а вместе с тем и их устойчивость к порезам.

Влажность. Как уже упоминалось в разделе о стойкости к истиранию, высокая влажность может значительно ослаблять механические характеристики водочувствительных материалов, таких как полиамид, арамид и полибензоксазол, приводя к существенному снижению их сопротивляемости к порезам. Но в то же время вода может снижать коэффициент трения между материалом и острым объектом, уменьшать вероятность зацепления и углубления лезвия в материал.


  • Угол резания (англ. cutting angle) – это угол наклона лезвия относительно материала, который существенно влияет на количество энергии, необходимой для разрезания. Рассматривается в контексте трёх основных положений (ориентаций) лезвия относительно разрезаемого материала: нормального, продольного и поперечного. Рассмотрим каждый из них подробнее.
Испытательный аппарат для определения стойкости текстильных волокон к разрезанию
а) Испытательный аппарат для определения стойкости волокон к разрезанию. На фотографии для наглядности изображены нити, тогда как в исследовании тестировались отдельные волокна.
б) Схематическое изображение различных положений лезвия относительно испытуемого образца, где: Normal incidence – нормальное положение, в котором волокно ориентировано горизонтально, а режущая кромка лезвия располагается перпендикулярно к нему. Longitudinal incidence – продольное положение, когда режущая кромка сохраняет перпендикулярную ориентацию, а волокно повернуто на 45° к горизонтали. Transverse incidence – поперечное положение, когда волокно располагается горизонтально, а режущая кромка лезвия наклонена под углом 45°.
Источник: «Statistical cut response of high-performance single fibers», 2018

а) Нормальное положение или прямой разрез – когда лезвие опускается вертикально вниз поперек материала: в этом положении сопротивление разрезанию рассматриваемых нами материалов значительно выше, чем в продольном и поперечном.
б) Продольное положение или косой разрез – когда лезвие опускается вертикально вниз на материал, расположенный под углом к горизонтали.

При косом разрезании часть силы направлена вдоль длины волокна, где под воздействием комбинированного механизма резания, сдвига и сжатия происходит расщепление фибрилл от основного волокна. Этот процесс обусловлен слабой межфибриллярной адгезией и анизотропной* структурой материала, в которой сопротивление разрушению максимально в одном направлении и значительно слабее в других.

*Анизотропия (от др.-греч. ἄνισος – неравный и τρόπος – направление) – это зависимость свойств материала от направления, в котором они измеряются. Противоположное понятие – изотропия.

с) Поперечное положение или боковой разрез – когда лезвие наклонено под углом и опускается вертикально вниз поперек материала.

Во время испытаний волокон на поперечное разрезание у всех материалов наблюдается снижение напряжения на лезвии (англ. blade stress) по мере увеличения угла. Это связано с постоянным вводом новых участков режущей кромки по мере скольжения лезвия по волокну, что снижает влияние его затупления. Кроме того, сдвиговое воздействие может инициировать механизмы межфибриллярного разрушения, которые не проявляются при прямом разрезе.
Сводная таблица напряжений на лезвии для волокон различных материалов в зависимости от их ориентации
Сводная таблица напряжений на лезвии (англ. blade stress) для волокон различных материалов в зависимости от их ориентации. Под напряжением на лезвии понимается напряжение, действующее в зоне контакта между режущей кромкой лезвия и волокном. Этот параметр позволяет объективно сравнивать устойчивость волокон к порезам, независимо от их диаметра. Обозначения: Normal – нормальная ориентация лезвия и волкона, Longitudinal – продольная, Transverse – поперечная; Average – среднее значение, Standard deviation (SD) – среднеквадратичное отклонение*, Coefficient of variation (CV) – коэффициент вариации**. В рамках данного исследования для каждого материала было проведено по 180 испытаний – по 60 для каждой ориентации волокна.
Источник: «Statistical cut response of high-performance single fibers», 2018
* Среднеквадратичное отклонение – наиболее распространенная мера отклонения значений относительно среднего.

**Коэффициент вариации или относительное стандартное отклонение – относительная мера разброса данных, выраженная в процентах. Вычисляется как отношение среднеквадратичного отклонения к среднему значению.

Сравнение средних значений и стандартных отклонений напряжений на лезвии для различных материалов в зависимости от ориентации испытуемого волокна и лезвия
Сравнение средних значений и стандартных отклонений напряжений на лезвии для различных материалов в зависимости от ориентации испытуемого волокна и лезвия, где: Normal – нормальная ориентация, Longitudinal – продольная, Transverse – поперечная.
Источник: «Statistical cut response of high-performance single fibers», 2018
Таким образом, можно заключить, что наибольшая устойчивость к порезам текстильных волокон достигается при прямом разрезе, средняя – при продольном (косом), а наименьшая – при поперечном (боковом).
На этом прекрасном моменте мы вновь вынуждены прерваться. Но только для того, чтобы в следующей, уже третьей по счету, части с новыми силами продолжить разбирать свойства и характеристики текстильных материалов через призму современных синтетических веревок. У нас по плану – устойчивость к УФ-излучению, устойчивость к воздействию химических веществ, термоустойчивость, влагостойкость, а также ряд других любопытных и важных характеристик.

Нашли неточность ?

Тянет пожурить или похвалить?

Напишите на bikulov.r.a@gmail.com или в telegram

Поддержать же труды автора финансово можно тут


Ренат Бикулов

Автор

Нашли неточность ?

Тянет пожурить или похвалить?

Напишите на bikulov.r.a@gmail.com или в telegram

Поддержать же труды автора финансово можно тут

Ренат Бикулов
Автор
Поделиться в соц.сетях:
Made on
Tilda