CC BY
60
УДК 685.54:519.68
Р. Ф. Афанасьева, Н. В. Тихонова, А. Б. Михайлов, Т. М. Осина, И. Д. Михайлова, В. Т. Прохоров
ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОСТЮМА
ДЛЯ ВОЕННОСЛУЖАЩИХ АРКТИКИ
(Сообщение 1)
Ключевые слова: костюм, полимерный материал, военнослужащий, теплозащитная одежда, холод, холодовой стресс,
охлаждение.
В сообщении 1 проведены исследования по созданию костюма для защиты от холода военнослужащего, находящегося в условиях Арктики. В основу создания теплозащитной одежды из полимерных материалов для эксплуатации в условиях Арктики должен быть положен научный принцип, учитывающий физиологию теплообмена человека с окружающей средой. При разработке теплозащитной одежды следует выполнять требования к теплоизоляции всех областей тела. С увеличением толщины пакета полимерных материалов утепляющей одежды повышается практически только температура кожи тех областей тела, которые защищены.
Keywords: clothing, polymer material, military man, thermal protective clothing, cold, cold stress, cooling.
In the message 1 studied to create a suit for protection from the cold soldiers in Arctic conditions. The basis of creation of heat-shielding clothes made of polymeric materials for use in the Arctic should be based on the scientific principle that takes into account the physiology of heat exchange with the environment. In developing, the heat-shielding clothes must comply with the requirements for thermal insulation of all areas of the body. With increasing thickness of the package of polymeric materials a warming clothes increases substantially when the temperature of the skin of those body areas, which are protected.
Введение
Актуальность проблемы создания костюма для защиты от холода подтверждают многочисленные исследования в этой области, проведенные отечественными и зарубежными учеными [1]. В настоящее время одним из направлений разработки костюма для условий Арктики является область профессиональной одежды, в частности, одежды для нужд федеральных органов власти. Выживание в полярных регионах напрямую зависит от температуры тела потребителя, точнее, ее сохранение. А это возможно только с помощью костюма.
Первое требование к костюму в условиях Арктики - многослойность. Верхний слой должен быть влагостойким, средний слой содержать шерстяные или синтетические волокна, а внутренний слой костюма должен обладать хорошими воздухопроницаемыми свойствами. Требование второе - костюм должен быть комфортным при носке. Это обеспечивается достаточной циркуляцией воздуха, что не провоцирует перегревание тела военнослужащего.
Основная часть
В настоящее время в связи с новыми условиями нахождения военнослужащих в районах Арктики армейская защитная одежда совершенствуется очень быстро и революционно, используя самые последние успехи в области применения полимерных материалов и технологий. По данным американских учёных, исследования которых доступны в открытой печати, использование современной защитной одежды из полимерных материалов в армии США
позволило им снизить на 15 % людские потери в горячих точках.
Следует ещё раз подтвердить, что над созданием комфортных условий военнослужащим, находящимся в экстремальных условиях, сегодня работают учёные многих стран мира, в том числе с активным участием ведущих исследовательских центров США, Франции, Германии, Японии, Южной Кореи, Китая, Индии.
Холод является одним из вредных факторов среды воздействующий на человека. Реакции при воздействии холода на организм могут носить как функциональный, так и патологический характер: заболевание, поражение, смерть, также при низких температурах человек может испытывать холодовой стресс. Одной из причин холодового стресса может быть охлаждение или организма в целом, или его части. При этом разные типы холодового стресса формируются за счет сочетания нескольких факторов: климатических условий, одежды, физической активности и др. Основными типами холодового стресса являются: охлаждение всего тела; охлаждение кожи (конвективное); охлаждение кожи (кондуктивное); охлаждение конечностей; респираторное охлаждение.
Последствия холодового стресса зависят от соответствия одежды и уровня энергозатрат человека метеорологическим параметрам среды, в которой осуществляется его деятельность, её продолжительности, состояния здоровья, чувствительности организма, области тела, подвергающейся охлаждению.
Энергетические затраты на холоде увеличиваются. Это происходит за счёт снижения активности, вызванной охлаждением, а также роста энергоемкости работы в результате использования тяжелой одежды. Последнее можно оценивать как дополнительный рост
энергоёмкости работы, который составляет примерно 3% при увеличении веса одежды на 1 кг или 4% при использовании каждого дополнительного слоя в комплекте одежд. [1].
Учитывая важность оценки и прогнозирования теплового состояния человека применительно к конкретным условиям его жизнедеятельности, в том числе в зависимости от теплоизоляции одежды и уровня энерготрат, ниже на основании математико-статистического анализа экспериментальных данных, представлено уравнение множественной регрессии (1), позволяющее определить интегральный показатель условий охлаждения (ИПУО, балл), учитывающий влияние комплекса факторов: температура воздуха (^ °С), скорость ветра (V, м/с), теплоизоляция комплекта одежды (1к, кло; 1 кло = 0,155°С-м2/Вт), уровень энерготрат Вт/м2) [2].
ИПУО = 73,882 - 0,60361 гв + 1,3096- V- 9,1985- 1К
- 0,15527 дм , (1)
Уравнение позволяет определить риск охлаждения (по истечение двухчасового пребывания на холоде) и вероятность его реализации.
В целях снижения риска охлаждения теплоизоляция спецодежды или/и физическая активность должны быть увеличены. Так, если энерготраты на выполнение физической работы составят 145 Вт/м2 (11Б категория), а теплоизоляция одежды увеличится до 5 кло, то величина ИПУО составит 31,8, т.е. увеличится вероятность реализации игнорируемого риска (до 0,6).
Для определения оценки риска охлаждения с позиций повреждения (обморожения) открытых участков тела человека, главным образом лица, которое может иметь место при воздействии низкой температуры воздуха и ветра, приведено уравнение множественной регрессии (2). Индекс ИПУОО (в баллах) позволяет определить уровень риска обморожения:
ИПУОО = 34,654 - 0,4664 ■ гв+ 0,6337■ V,
(2)
где 1в - температура воздуха, °С; V- скорость ветра, м/с.
Согласно данным расчёта уже при температуре воздуха -25°С и скорости ветра 2 м/с имеет место критический риск обморожения открытых участков тела, вероятность которого повышается с увеличением скорости ветра и снижении температуры воздуха. Катастрофический риск обморожения (в течение 30 сек) наблюдается с вероятностью 0,5 при температуре воздуха -35°С и скорости ветра 10 м/с, а также при температуре воздуха -40°С и -45°С, соответственно при скорости ветра 6/м с и 3 м/с.
Указанное выше означает, что комплект теплозащитной одежды, предназначенный для работ на открытой территории, в частности, в климатических регионах I А и I Б («особый» и IV климатические пояса), должен включать средства защиты лица и органов дыхания.
Кисти рук и стопы играют большую роль в терморегуляции, являясь специфическими теплообменниками организма со средой. Состояние теплового комфорта обеспечивается при температуре кожи стоп 29-31°С и тепловом потоке 52-87 Вт/м2. Тепловое сопротивление тканей сохраняется в пределах до 0,3 кло.
Исследования ряда авторов [2] показали, что с увеличением теплоизоляции обуви увеличивается средневзвешенная температура кожи человека (с 32,0±0,30 до 33,5±0,32°С) и снижается средневзвешенный тепловой поток (с 90,3±4,0 до 57,0±0,32Вт/м2 (~ 40%)). Снижение общих теплопотерь в результате повышения теплоизоляции обуви может составить 17,1°С.
Потери тепла конвекцией и радиацией с поверхности различных участков тела человека при его охлаждении:
- голова 19,0 Вт (12%);
- руки 44,4 Вт (31 %);
- туловище 36,0 Вт (25 %);
- ноги 49,0 Вт (32 %);
- весь человек 148,4 Вт (100 %).
Величина теплоизоляции обуви может
оказывать существенное влияние на общие теплопотери человека и температуру поверхности тела. Это означает, что при разработке теплозащитной одежды следует выполнять требования к теплоизоляции всех областей тела. С увеличением толщины пакета материалов утепляющей одежды повышается практически только температура кожи тех областей тела, которые защищены (туловище, плечо, бедро) [3]. Отмечается лишь некоторое повышение температуры кожи в области кистей. Изменение же температуры в зависимости от степени утепления поверхности туловища практически не наблюдается. Можно выделить определенную взаимосвязь между общим тепловым состоянием организма человека и степенью охлаждения той или иной области тела, в частности, стоп и кистей. В то же время теплоизоляция последних оказывает существенное влияние на общий теплообмен человека [4].
В таблице 1 представлена топография теплового потока с поверхности тела человека, в %, оценивающего свои теплоощущения как «комфорт».
Согласно таблице 1, доля теплового потока с поверхности стопы и кистей составляет соответственно 7,2 ± 0,6% и 5,5 ± 0,44%, а туловища - 28,5 ± 1,25 % [5].
В качестве эффективных способов сопротивления холодовому стрессу можно назвать следующие: одежда, физическая нагрузка, режим работы, внешний обогрев различного вида, однако, необходимым условием при этом является наличие опыта и определенного рода знаний у человека. Как правило, адекватная защита от охлаждения достижима, в частности, за счёт снижения активности. Например, одежда является фактором, увеличивающим физическую нагрузку,
снижающим поле зрения, слышимость и др.
В связи с этим, можно определить ключевые элементы безопасности и практического приспособления в условиях Арктики. К ним
относятся контроль за одеждой, контроль за перерывами для обогревания, уровнем физической активности (тяжесть, ритм) и др.
Таблица 1 - Топография теплового потока с поверхности тела человека, в %, оценивающего свои теплоощущения как «комфорт»
Вид одежды Положение Области тела
тела Голова Туловище Плечо Кисть Бедро Голень Стопа
Без одежды стоя 13,1±0,93 29,5±0,73 12,2±0,64 5,0±0,47 19,0±1,5 12,8±1,0 8,4±0,3
«Комнатная» стоя 15,8±4,2 28,5±1,25 11,5±1,25 5,5±0,44 17,8±1,0 13,7±1,0 7,2±0,4
одежда
Утеплённый стоя 17,7±0,71 24,6±0,63 10,4±0,8 6,6±0,55 18,8±0,7 14,7±0,8 7,2±0,6
комбинезон
«Комнатная» Ходьба
одежда (170 Вт/м2) 18,1 21,8 7,8 6,4 21 17 8,4
Утеплённый Ходьба
костюм: куртка и п/комбинезон (170 Вт/м2) 19,5 25,1 9,7 6,9 16 16 7,1
Тепловое состояние человека подразделяется на следующие категории: оптимальное, допустимое, предельно допустимое и недопустимое. Оптимальное тепловое состояние человека характеризуется отсутствием общих или локальных дискомфортных теплоощущений. Допустимое тепловое состояние характеризуется незначительными общими или локальными дискомфортным состоянием. Предельно допустимое тепловое состояние человека характеризуется выраженным общим или локальным
дискомфортом, что ограничивает его активность. Недопустимым является тепловое состояние, характеризующееся чрезмерным охлаждением, приводящим к нарушению состояния здоровья.
В целях нормирования параметров микроклимата, для оценки теплового состояния человека следует использовать показатели и критерии, приведённые в работе [2]. В таблице 2 представлены критерии оптимального теплого состояния человека.
Таблица 2 - Критерии оптимального теплого состояния человека
Показатель теплового состояния человека Энерготраты, Вт/м2
69 87 113 145 177
1. Температура тела ректальная, Тр, °С 37,1—37,2 37,2—37,3 37,3-37,5 37,4-37,6 37,5-37,7
2. Средневзвешенная температура кожи (*), Тк , °С 32,5—33,5 32,1—32,8 31,6—32,5 30,9—32,0 30,2—31,4
3. Изменение теплосодержания (*), АQme кДж/кг 35,3—35,8 35,3—35,8 35,3—35,8 35,3—35,8 35,3—35,8
4. Изменение теплосодержания (*), Д кДж/кг ±0,87
5. Увеличение частоты сердечных сокращений (*),АЧСС, уд/мин до 6 7—10 11 — 18 19—25 26—32
6. Влагопотери, АР, г/ч, до 80 100 120 150 180
7. Теплоощущения (*), Т0, баллы 4,0
8. Разность между температурой кожи груди и стопы, (Ткг - Ткс), °С 2—4 2—4 не характерна
* - наиболее значимые показатели;
** - но отношению к другим уровням энергограт критерии теплового состояния могут быть определены интерполяцией.
Заключение
Выбор критериальных показателей во многом обусловлен ситуацией, применительно к которой предполагается их использование. В частности, он определяется продолжительностью пребывания в охлаждающей среде, физической активностью, допускаемой степенью охлаждения, величиной риска снижения активности и развития патологии [3].
В целях профилактики охлаждения (например, при изготовлении и оценке теплозащитной одежды) используются критериальные показатели,
характеризующие тепловое состояние организма как допустимое.
Это обусловлено тем, что задача сохранения оптимального теплового состояния организма при нахождении в условиях Арктики весьма проблематична по причине практической сложности создания теплозащитной одежды с необходимой теплоизоляцией.
Общие требования к теплозащитной одежде с позиции обеспечения должного теплообмена человека с окружающей средой сформулированные в работе [2] приведены ниже:
- основной теплозащитной функцией одежды является ограждение тела человека от чрезмерной отдачи тепла во внешнюю среду;
- соответствие теплоизоляционных показателей комплекта одежды физической активности человека и метеорологическим условиям, в которых он будет эксплуатироваться;
- теплоизоляция комплекта одежды должна быть регулируемой;
- одежда должна способствовать выведению влаги из пододежного пространства, поэтому внутренние слои комплекта одежды должны не только хорошо впитывать выделяемый телом человека пот, но и отдавать влагу следующим слоям;
- одежда не должна приводить к перегреванию тела человека; допустимым признается некоторое его охлаждение, которое необходимо для стимулирования физической активности и скорейшей акклиматизации к холоду;
- при утеплении различных областей тела человека следует исходить из общей теплоизоляции теплозащитной одежды и эффективности утепления каждой из них.
В основу создания теплозащитной одежды для эксплуатации в условиях Арктики должен быть положен научный принцип, учитывающий физиологию теплообмена человека с окружающей средой.
Требования к материалам и конструкции теплозащитной одежды в условиях Арктики:
- теплозащитная способность одежды, предназначенной для защиты от охлаждения тела человека, складывается из теплофизических показателей пакетов материалов, из которых она изготовлена, а также зависит от конструкции и вида (куртка, куртка и брюки, комбинезон и др.);
- пакет материалов теплозащитной одежды формируется из следующих материалов: основного, подкладки и утепляющей прокладки. Для снижения воздухопроницаемости пакетов материалов одежды,
при необходимости, возможно применение ветрозащитной прокладки, которую необходимо располагать между внешним слоем и утепляющей прокладкой;
- основной материал (покровный, внешний слой) выполняет не только защитные функции, но и несет в себе эстетические показатели, обусловливая внешний вид одежды. Он должен обладать достаточными показателями защитных свойств, которые соответствуют условиям деятельности носчика и эксплуатации, быть устойчивым к механическим воздействиям, воздействию света, атмосферным осадкам, различного вида загрязнителям, а также легко очищаться от загрязнений. Основной материал должен способствовать выведению влагу из пододежного пространства в окружающую среду, а также обладать воздухопроницаемостью, адекватной скорости ветра.
Литература
1 П.П. Кокеткин, Одежда: технология - техника, процессы - качество: справочник. Изд. МГУДТ, Москва, 2001. 560 с.;
2 Р.Ф. Афанасьева, О.В. Бурмистрова, Л.В. Прокопенко, Холодовой стресс: медико-биологические аспекты профилактики: Монография. ООО фирма «Реифор», Москва, 2012. 214 с.;
3 Р.А. Делль, Р.Ф. Афанасьева, З.С. Чубарова, Гигиена одежды: Учеб. пособие для вузов. Легпромбытиздат, Москва, 1991. 160 с.;
4 Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ РФ 2014617468 (2014);
5 В.Т. Прохоров, Н.В. Тихонова, Т.М. Осина, Д.В. Рева, А.А. Тартанов, П.Н. Козаченко, Вестник Казанского технологического университета, 17, 19, 130-135 (2014).
© Р. Ф. Афанасьева - д.м.н., профессор, ФГБНУ «Научно-исследовательский институт медицины труда» Российской академии медицинских наук, г. Москва, e-mail: [email protected]; Н. В. Тихонова - д.т.н., профессор, кафедры «Конструирование одежды и обуви», ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань, e-mail: [email protected]; А. Б. Михайлов - к.ф-м.н., доцент кафедры «Математика и прикладная информатика», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты, e-mail: [email protected]; Т. М. Осина - к.т.н., доцент кафедры «Технология изделий лёгкой промышленности», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты, e-mail: [email protected]; И. Д. Михайлова - к.т.н., доцент кафедры «Математика и прикладная информатика», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты, e-mail: [email protected]; В. Т. Прохоров - д.т.н., профессор, зав. каф. «Стандартизация, сертификация и товароведение», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты, e-mail: [email protected].
© R. F. Afanas'eva - Doctor of Medical Sciences, professor Federal public budgetary Scientific institution «Research Institute of Medicine of Work» of the Russian academy of medical sciences, Moskva, e-mail: [email protected]; N. V. Tikhonova - Doctor of Technical Sciences, professor of the Garment and Footwear Design Department, Kazan national research technological university, Kazan, e-mail: [email protected]; A. B. Mihailov - Ph.D. of physical and mathematical sciences, associate professor of the Mathematics and applied informatics Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: [email protected]; T. M. Osina -Ph.D. of engineering, associate professor of the Technology of products of light industry Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: [email protected]; I. D. Mihailova - Ph.D. of engineering, associate professor, associate professor of the Mathematics and applied informatics Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: [email protected]; V. T. Prohorov - Doctor of Technical Sciences, professor, Head of the of Standardization, certification and commodity research Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: [email protected].
