Прогнозирование свойств терморегулирующих материалов и проектирование пакетов теплозащитных изделий

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и
основные задачи исследований. Дана общая характеристика, научная новизна и
практическая значимость результатов работы.
В первой главе приведен анализ и систематизация достижений в области
проектирования структуры и прогнозирования свойств инновационных
мембранных и утепляющих материалов и изделий. На основе системного анализа и
принципов классификации в работе разработана иерархическая классификация
ассортимента утепляющих материалов. В основу классификации положен
классификационный признак – способ функционирования утепляющих материалов,
который делит все современные утепляющие материалы на две группы: пассивные
и активные утеплители. Классификация утепляющих материалов также учитывает
– способ производства, структуру, волокнистый состав, свойства и специальные
виды отделки. Классификация позволяет рационально конфекционировать
материалы в пакет одежды с учетом назначения изделий и требований нормативно-
технической документации.
Во второй главе представлен обоснованный выбор и характеристика
объектов исследования, материалов, формирующих пакеты теплозащитной
одежды: тканей верха – мембранных отечественных и импортных тканей;
утеплителей – нетканых объемных утеплителей, подкладочных и вспомогательных
материалов и разработанных пакетов теплозащитной одежды.
Описаны стандартные и известные методы и методики исследования и
обработки результатов экспериментов.
Третья глава посвящена исследованию влияния эксплуатационных и
производственных факторов на структуру и свойства мембранных тканей,
формирующих пакеты материалов одежды. С помощью статистического анализа
диаграмм Исикавы и экспертного метода, определены наиболее значимые
показатели качества мембранных тканей, которые были исследованы в работе.
Исследование механических свойств доказывает высокую устойчивость
мембранных тканей к истиранию по плоскости (36750-71800 цикл), несминаемость
более 80%, прочность при расслаивании 7,2-8,5 Н/см и растяжении до разрыва 60-
91 кгс, удлинение 46-59%, жесткость при изгибе <7200 мкН∙см2. По показателям физических свойств (табл. 1), мембранные ткани образцы 1 и 3, характеризуются высокой паропроницаемостью и водоотталкиванием – 90 усл.ед. Образцы 2 и 5, имеют дополнительно водоотталкивающую отделку лицевой стороны тканей, поэтому водоотталкивание оценивается как 100 усл.ед. Дополнительная отделка снижает паропроницаемость мембранных тканей до 446 и 600 г/м2∙24ч и влагопоглощение до 0,18 и 0,46%, соответственно. Все образцы характеризуются очень низкой воздухопроницаемостью, менее 7 дм3/м2∙с. Таблица 1 - Показатели физических свойства отечественных мембранных тканей Влаго- НомерВодо-Водооттал- Мs,Bh- (пар),Вр, упорность, кивание,погло- образ-Наименование образцов цаг/м2г/м2 24чдм3/м2сщение, мм.вод ст,усл.ед, % Мембранная ткань арт. С 911М 11505500<6,92100901,98 (отделка ПТФЕ «Parel») Мембранная ткань арт. 09С20-КВ 2148446<6,989001000,18 (отделка ПлЛАМ) Мембранная ткань арт. ПЭ/М 31922800<6,92070901,96 003.19 (отделка ПлЛАМ) Мембранная ткань арт.09С13-КВ 4170520<6,9400802,49 (отделка ПлПУМ) 5Мембранная ткань арт. 80021 190900<6,988001000,46 (отделка МВОКл3) Примечания: ПлЛАМ – пленочное покрытие ламинированное политетрафторэтиленовой мембраной; ПлПУМ- пленочное покрытие ламинированное полиуретановой мембраной; ВО - водоотталкивающая отделка; МВОКл3 –масловодоотталкивающая отделка – пленочное покрытие «Климат 3»; ПТФЕ «Parel» - политетрофторэтиленовая мембрана фирмы «Parel»; Мs- поверхностная плотность; Bh- паропроницаемость, Вр – воздухопроницаемость. Все образцы зарубежных мембранных тканей (табл. 2), характеризуются высокой паропроницаемостью и водоупорностью, что и обеспечивает их высокую конкурентоспособность на мировом рынке. Отмечена лучшая паропроницаемость и водоупорность образцов №1, 4, 5 с 2-3-х слойной структурой ткани и пористой мембраной из тефлона. Таблица 2 – Показатели качества мембранных тканей импортного производства Номер Структура ткани, характеристикаВодоупо-Водооттал-Рр, кгс, Мs,Bh,,Вр, образ-мембраны, обозначение,рность,кивание,основа цаг/м2г/м224чдм3/м2с производительмм.вод.стусл.ед,/уток Ткань мембранная «Toray» TSD 1716DPF2L RIP Lamination., 1140 20 00020 00090<6,9 88/90 (мембрана пористая ПТФЭ) (Япония) Ткань мембранная «Torey» Dermizax-2L RIP Гидрофильный 2полиуретан - беспоровая 9510 0005 00090<6,9 65/71 (Япония) Ткань мембранная -ALM049 3(мембрана поровая –100% ПУ,133 10 00010 000100<6,9 68/72 ВО DWR), (Германия) Ткань мембранная «GORE-TEX» 4SPL70HS 2L, (мембрана GORE-1489 00028 000100<6,9 63/59 TEX из ПТФЭ, ВО DWR) (США) Мембранная ткань арт. TSD 53008 DP3L RIP (мембрана140 15 00015 00090<6,9 64/58 пористая ПТФЭ) (США) Ткань мембранная арт. EAE- 60765, (мембрана беспоровая, ВО158 10 0007 000100<6,9 60/62 DWR) (Корея) Примечания: ПТФЭ – политетрафторэтилен (тефлон); ВО DWR - водоотталкивающая обработка на основе фторсодержащих средств и силиконов; ПЭ –полиэфир; ПА – полиамид. Мs- поверхностная плотность; Bh- паропроницаемость; Вр – воздухопроницаемость; Рр – разрывная нагрузка. Исследование кинетики прохождения влаги и изменения температуры пододежного пространства изделий из мембранных тканей позволило установить, что максимальная влажность 81% пододежного пространства отечественных мембранных тканей достигается в течение 40 минут (рис. 1 А). Затем в течение 10- 15 минут снижается до 55-60%, и поддерживается на данном уровне до конца опыта, за счет прохождения влаги через поры мембран. При этом температура пододежного пространства сначала возрастает до 40оС. а затем снижается до комфортной 35-36 оС. Максимальная влажность 62% пододежного пространства импортных мембранных тканей достигается в течение 35 минут (рис. 1 Б). Затем влажность пододежного пространства снижается, то есть мембрана начинает «дышать», и постепенно достигает влажности 40%, что обеспечивает преимущество импортных мембранных тканей и делает их привлекательными и конкурентоспособными. 9070 Показатели параметров Показатели параметров 8060 601 50140 230 3204 1010 020406080100020406080100 Время, минВремя, мин А)Б) Рисунок 1 - Данные кинетики изменения влажности (1 и 3), % и температуры (2 и 4), оС, пододежного пространства мембранных тканей: А) – арт. С 911М; Б) - арт. ALM049, со стороны ткани: - 1 и 2 - изнаночной, 3 и 4 - лицевой Криолиз (многократное замораживание - оттаивание) тканей с поровыми мембранами приводит к снижению: на 6-17% разрывной нагрузки, на 5-15% жесткости при изгибе и на 20-41% водоупорности. При этом паропроницаемость возрастает на 47-64%. Криолиз тканей с беспоровыми мембранами приводит к снижению: на 8-27% разрывной нагрузки, жесткости при изгибе на 8-15% и водоупорности на 28-51% и возрастанию ~2-3 раза паропроницаемости. Поровые мембраны более устойчивы к криолизу, чем беспоровые, поскольку влага сорбируется всей поверхностью беспоровых мембран, а при замораживании вода увеличивается в объеме, ухудшая свойства мембраны. Исследование влияния технологических факторов производства одежды на структуру и свойства мембранных тканей показало, что места прокола иглой имеют рваный вид неправильной формы со значительными размерами, от 0,6 до 1,2 мм. Поэтому швы мембранных тканей необходимо герметизировать. Швы с герметизацией не намокают в течение 24 часов эксперимента. Четвертая глава посвящена исследованию утепляющих материалов. Представлены результаты исследования и разработки инновационного электрообогреваемого терморегулирующего текстильного материала (ТТМ). Для формирования структуры терморегулируемого слоя в качестве основного электроизоляционного слоя использовали хлопчатобумажную ткань арт. 210 поверхностной плотностью 110 г/м2, на которую по разметке «синусоидально» укладывали углеродную нить (УН). Сверху располагали клеевой прокладочный материал и дублировали на прессе. В результате УН надежно фиксируется в структуре электрообогреваемого композиционного текстильного материала (ЭОКТМ). Установлено, что образцы с синусоидальным расположением УН линейной плотности 205 и 400 текс и расстоянием между витками h=20 и 30 мм обеспечивают нагрев поверхности многослойного материала до температуры 28- 45оС. Предложенная схема электропитания, даже при выходе из строя нескольких элементов ЭОКТМ, будет сохранять свои функциональные способности. Источником питания является аккумулятор Li-PO (3S) массой - 165 г, емкостью - 2200 мА/ч, с безопасным рабочим напряжением - 12 В и работой в нескольких температурных режимах, что позволяет пользователю сохранять свободу перемещения и управлять микроклиматом пододежного пространства. На предприятии ООО «КВН СЕРВИС» была создана опытно-промышленная установка по разработанному способу производства ЭОКТМ, и наработана опытно- промышленная партия материала, о чем свидетельствует акт предприятия. Образцы ЭОКТМ, полученные в производственных условиях характеризуются поверхностной плотностью 195-225 г/м2, прочностью клеевого соединения - 8±0,3 Н/см, разрывной нагрузкой - (67/75)±1 даН, воздухопроницаемостью - 230 дм3/м2с, жесткостью при изгибе - 4200/4610 мкН·см2, относительной паропроницаемостью - 35,8%. Температура поверхности на первом режиме работы аккумулятора в течение 1 минуты достигает 33±1оС. Разработанный ЭОКТМ можно рекомендовать для изготовления широкого ассортимента изделий: специальной и бытовой терморегулируемой одежды, а также изделий бытового и технического назначения (одеял, подушек автомобилей) и других целей. Полученные справочные данные теплофизических и прочностных свойств нетканых утеплителей позволяют обоснованно формировать пакеты материалов для утепленной одежды. Установлена функциональная зависимость теплового сопротивления от основных параметров структуры и свойств объемных нетканых утеплителей одежды. Установлено, что утеплители характеризуются высокой устойчивостью к деформациям многократного сжатия 94%. После многократного криолиза при температуре (-20) оС устойчивость к деформациям многократного сжатия снижается на 7,5-10%, что гарантирует сохранение теплозащитных свойств в процессе эксплуатации изделий. Пятая глава посвящена разработке структуры и исследованию свойств пакетов материалов терморегулируемой утепленной одежды для людей с ограниченными возможностями движения (ЛОВД). Формирование без барьерной среды для ЛОВД - является стратегической задачей правительства РФ. Вопросами проектирования одежды для ЛОВД с учетом заболевания посвящены труды российских и зарубежных ученых: Волковой В.М., Савченковой И.Е., Харловой О.Н., Андреевой Е.Г., Meinander H. и других, что подчеркивает актуальность проблемы. Формирование структуры пакетов материалов ТОЧ для ЛОВД выполняли с учетом требований ГОСТ Р 53453-2009. Структура пакетов включала: ткань верха – мембранная ткань арт. С 911М; утеплитель - Холлофайбер СОФТ поверхностной плотности 100 и 200 г/м2, и разработанный ЭОКТМ; подкладка - трикотажное полотно поларфлис поверхностной плотности 300 г/м2 с двухсторонним ворсом из 100% полых полиэфирных волокон. Терморегулируемый ЭОКТМ располагали между подкладочным слоем и утеплителем (пакеты №1 и 2), между двумя слоями утеплителя (пакет №3) и между подкладочным и двумя слоями утепляющего материала (пакет №4). (Исследования теплозащитных свойств пакетов материалов с ЭОТКМ, проводили по известной методике, разработанной Жихаревым А.П. и Бессоновой Н.Г.). Каждому пакету материалов придавали цилиндрическую форму и соединяли слои ниточным швом снизу и с боку. В верхний срез настрачивали кулису с вложением шнура, предварительно вкладывая между слоями пакетов материалов датчики температуры по схеме (рис. 2), для исследования процесса охлаждения имитатора тела человека (сосуда с водой, нагретого до 36,5±0,5оС) помещенноговпакетматериаловодежды. Теплоизолирующую способность разных пакетов материалов определяли по темпу охлаждения поверхности сосуда с водой. Результаты исследований показали, что при температуре в криокамере (-10оС) процесс охлаждения Рисунок 2 – Схема имитатора тела человека, одетого в пакет материалов расположения датчиков №1 (с одним слоем утеплителя и нагревом ЭОКТМ до температуры в пакете 34±0,5оС) происходит постепенно, и через 180 мин материаловдостигает температуры нагрева ЭОКТМ (34оС), а затем поддерживается постоянной на этом уровне (рис. 3). Аналогичная зависимость и для пакета №2. Это позволяет сделать заключение о возможности применения утеплителя в 1 слой для зимней теплозащитной одежды, при условии использования ЭОКТМ. Пакет материалов №1Пакет материалов №4 y = -0,0174x + 36,694y = -0,0023x + 37,006 40401 351353 302304 Температура, оС Температура, оС 25325 2020 1515 1010 00 -5 020 40 60 80 100 120 140 160 180-5 020406080100 120 140 160 180 -106-106 Время, минВремя, мин Рисунок 3 Динамика изменения температуры в структуре пакета материалов №1 и №4 с включенным ЭОКТМ при температуре окружающей среды (-10 оС): 1,2,3,4, 5,6 - датчики температуры по слоям пакета материалов (рис. 2) Охлаждение имитатора, одетого в пакеты №3 и №4 с утеплителем в 2 слоя и нагревом ЭОКТМ до 34±0,5оС, при температуре в криокамере (-10оС) практически не происходит и остается на уровне 36,5±0,5оС. Утеплители в 2 слоя независимо от расположения ЭОКТМ в структуре пакетов №3 и №4, более стабильно поддерживают температуру пододежного пространства (рис. 3). При снижении температуры в криокамере до (-20оС), температура пододежного пространства в течение 180 минут снижается до температуры нагрева ЭОКТМ и остается комфортной. Из разработанного пакета материалов №4 был изготовлен термообогревающий чехол (ТОЧ) и проведена опытная носка изделия. Анализ результатов анкетирования респондентов подтвердил экспериментальные данные исследования кинетики температуры и влажности пододежного пространства при эксплуатации ТОЧ. Все респонденты на всех этапах оценивали самочувствие как комфортное – нейтральное, нормальное. Все респонденты отмечали важность производства ТОЧ для ЛОВД. Изделие легко одевалось и снималось. Фиксация ТОЧ к креслу исключало его скольжение и нежелательное перемещение в кресле. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Разработана иерархическая классификация утепляющих материалов, в которой систематизированы инновационные пассивные и активные утеплители одежды, и учтены принципы функционирования, способа производства, структура, волокнистый состав, свойства и специальные виды отделки. Классификация позволяет рационально конфекционировать материалы в пакет одежды с учетом назначения изделий и требований нормативно-технической документации. 2. Получена математическая зависимость паропроницаемости от параметров структуры и свойств мембранных тканей: Bh = ρ ∙ d ∙ Ms ∙ BP ∙ ∆P −1 ∙ V10 ∙ BH 8 , г/(м2∙сек), которая позволяет прогнозировать свойства мембранных тканей на стадии их проектирования, а также прогнозировать изменение паропроницаемости мембранных тканей в процессе эксплуатации изделий. 3. Установлена зависимость изменения паропроницаемости: Bhк =81,8∙К+Bh0, и водоупорности: Bн=-17,46 К+Вн0, от количества (К) циклов криолиза. Многократный криолиз тканей с поровыми мембранами приводит к снижению на ~6-17% разрывной нагрузки, жесткости при изгибе на 5-15%, водоупорности на 20- 41% и возрастанию паропроницаемости на 47-64%. Многократный криолиз тканей с беспоровыми мембранами приводит к снижению на ~8-27% разрывной нагрузки, жесткости при изгибе на 8-15%, водоупорности на 28-51% и возрастанию ~2-3 раза паропроницаемости. 4. Установлена кинетика процесса изменения влажности и температуры пододежного пространства мембранных тканей. Доказано, что отечественные мембранные ткани выводят влагу из пододежного пространства при влажности 80% и температуре 40оС. Импортные ткани выводят влагу при влажности пододежного пространства не более 60±2% и температуре 36-37оС, что делает их более привлекательными и конкурентоспособными. 5. Доказано, что исследуемые объемные утеплители характеризуются высокой устойчивостью к деформациям многократного сжатия - 94%. После многократного криолиза при температуре (-20) оС устойчивость к деформациям сжатия снижается на 10%, а после пятикратной мокрой обработки на 2±0,2%, что приводит к снижению теплового сопротивления утеплителей на 4-8%. 6. Разработантермообогревающийтекстильный материал,который обеспечивает равномерный регулируемый нагрев поверхности материала до температуры 28-40оС. Разработан способ производства терморегулируемых текстильных материалов, наработана опытная партия материала, исследованы свойства и определены области его применения. 7. Установлена зависимость теплового сопротивления от основных параметров Т∙ ∙ ∙ структуры и свойств объемных нетканых утеплителей одежды: R= 2 , м2∙К/Вт, М которая позволяет прогнозировать теплозащитные свойства материалов на стадии их проектирования и конфекционирования в пакет одежды, а также прогнозировать изменение теплозащитной функции одежды в процессе ее эксплуатации. 8. Разработан пакет материалов и изготовлен чехол для людей с ограниченными возможностями движения. Доказано, что термообогреваемый чехол в режиме нагрева до 34±0,5оС, обеспечивает термальный комфорт в течение 2 и более часовой прогулки в коляске при температуре до (-10) оС и ниже. Опытная носка термообогреваемого чехла подтвердила комфортные термальные условия при эксплуатации ТОЧ. 9. Получены справочные данные физико-механических и эксплуатационных свойств исследуемых отечественных и импортных мембранных тканей, и нетканых утеплителей, которые позволяют обоснованно формировать пакеты материалов для утепленной одежды. Разработанные пакеты материалов рекомендуются, как для людей с ограниченными возможностями движения, так и для изготовления спецодежды МЧС, нефтяников и других профессий, а также бытовой одежды для эксплуатации в суровых условиях Крайнего Севера, Заполярья и Сибири.