CC BY
37
УДК 685.54:519.68
Р. Ф. Афанасьева, Н. В. Тихонова, А. Б. Михайлов,
Т. М. Осина, И. Д. Михайлова, В. Т. Прохоров, С. Ю. Полухина
ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОСТЮМА
ДЛЯ ВОЕННОСЛУЖАЩИХ АРКТИКИ
(Сообщение 2)
Ключевые слова: костюм, полимерный материал, военнослужащий, теплозащитная одежда, климатический регион, пакет
материалов, теплоизоляция.
В сообщении 2 авторы рассматривают особенности задачи создания одежды для защиты военнослужащих от холода на территориях, характеризующихся суровыми погодными условиями, а именно, в климатических регионах, включающих арктические острова, побережье Северного Ледовитого океана, восточную часть тундры. В климатических регионах, в которые входят внутриконтинентальные районы Восточной Сибири. Камчатка, Северный Сахалин и побережье Охотского моря. Был выделен и исследован пакет полимерных материалов, необходимый для теплозащитной одежды, приведены теплозащитные показатели, показатели физико-механических свойств полимерных материалов, требования к теплоизоляции одежды от холода.
Keywords: clothing, polymer material, military man, thermal protective clothing, climatic region, package materials, insulation.
In the message 2 authors consider particularly the task of creating clothes for protection of military personnel from the cold in the areas with harsh weather conditions, namely, in the climatic regions, including the Arctic islands, the coast of the Arctic Ocean, the eastern part of the tundra. The climatic regions, which include the inland regions Eastern Siberia. Kamchatka, Sakhalin and the northern coast of the Sea of Okhotsk. It was isolated and examined a package of polymeric materials required for heat protective clothing, thermal protective performance shown, and indicators of physical and mechanical properties ofpolymer materials for a clothing insulation from the cold.
Введение
Рассмотрим особенность задачи создания одежды для защиты от холода на открытой территории применительно к климатическим регионам 1А и 1Б. Климатический регион 1А («особый») включает арктические острова, побережье Северного Ледовитого океана, восточную часть тундры. В климатический регион I Б (IV климатический пояс) входят внутриконтинентальные районы Восточной Сибири. Камчатка, Северный Сахалин и побережье Охотского моря. Вся эта территория характеризуется суровостью погодных условий. Первый из них характеризуется сильными ветрами, второй - особо низкими температурами в сочетании с меньшими скоростями ветра.
Основная часть
Создание одежды для защиты от холода в климатическом регионе 1А является весьма трудной задачей, поскольку теплоизоляционная способность одежды во многом определяется толщиной пакета материалов, увеличение которой может быть одной из причин снижения работоспособности человека. Представляет большую сложность обеспечение необходимой защиты от охлаждения поверхности головы (в том числе лица), кистей, стоп, ввиду малой эффективности их утепления. Применение материалов с низкой воздухопроницаемостью и замкнутой конструкцией в целях защиты от ветрового воздействия может приводить к накоплению влаги в одежде и снижению ее теплоизоляции, особенно при выполнении интенсивной физической работы [1].
В этой связи при создании одежды для защиты от холода следует исходить из конкретных условий её эксплуатации и реальности достижения необходимой защиты от охлаждения, регламентируя длительности непрерывного пребывания на холоде.
При этом проблемы, связанные с обеспечением одежды должной теплоизоляции, уменьшения массы, улучшения тепломассообмена с окружающей средой, решаются путем ограничения времени непрерывного пребывания на открытой территории, допущения некоторого охлаждения организма в соответствии с физиологическими критериями, подбора соответствующих материалов и разработки рациональной конструкции.
Учитывая особенности климатических условий (охлаждение лица, органов дыхания) и реальную возможность создания одежды для осуществления деятельности, продолжительность непрерывного пребывания на холоде принималась равной не более 2 ч для климатического региона I А и 1 ч для региона 1Б. Дефицит тепла в организме в этом случае принимался равным 52 Вт-ч/м2, что соответствует нижней границе допустимого теплового состояния [2].
Для климатических регионов I А и I Б величина средневзвешенного теплового потока с поверхности тела человека должна составлять соответственно 98,0 и 107,0 Вт/ м2. С учетом этого, для обеспечения заданного теплового состояния человека при температуре относительно спокойного воздуха (-24,4°С и -41,0С), теплоизоляция комплекта должна быть соответственно равной 0,560 и 0,668 °С -м2/Вт.
В реальных условиях на величину теплоизоляции оказывает влияние ветровой фактор, а также физическая активность. Указанные выше величины должны быть скорректированы с учетом
поправки на совместное воздействие ветра и физической активности применительно к комплекту одежды, включающему утепленный комбинезон или куртку с брюками (или полукомбинезоном).
Принимая во внимание среднюю из наиболее вероятных значений скорости ветра в климатическом регионе 1А (6,8 м/с), следует для изготовления утепленного костюма выбирать материал верха, имеющий небольшую воздухопроницаемость (~ 7дм3/м2-с), но достаточную влагопроницаемость (>40 г-м2/ч). Для региона 1Б целесообразно использовать материалы такой же воздухопроницаемости из-за большого перепада температур наружного воздуха и под одеждой.
Исходя из этого, теплозащитная одежда должна иметь теплоизоляцию 0,709°С-м2/Вт (4,6 кло) и 0,728°С м/Вт (4,7 кло) (1 кло=0,155°С-м2/Вт).
Учитывая, близкие значения величин теплоизоляции комплектов одежды для регионов 1А н 1Б, представленные ЦНИИШП расшифровать , разработан единый теплозащитный костюм для специфических условий эксплуатации [2]. Он состоит из куртки с капюшоном, имеющим клапан для защиты нижней части лица от охлаждения, и полукомбинезона - в целях лучшей защиты от охлаждения поясничной области. Для обеспечения свободы движений (наклоны, приседания, поднятия рук и др.), ограничения попадания наружного воздуха в пододёжное пространство были предусмотрены специальные конструктивные элементы (эластичные вставки, ветрозащитный клапан, напульсники) и оптимизированы прибавки на свободу облегания с учетом толщины пакета материалов.
В таблице 1 представлена толщина пакета материалов различных участков комплектов одежды, предназначенных для защиты от холода в климатических регионах 1А и 1Б.
Таблица 1 - Толщина пакета материалов для различных участков комплектов одежды, предназначенных для защиты от холода в климатических регионах 1А и 1Б
Область тела человека Отношение локальной толщины пакета материалов к средневзвешенной Климатический г егион
Расчетная величина, мм Фактическая для 1А и 1Б
1А 1Б
Голова 0,5 9,1 9,6 10,0
Туловище 1,3 24,2 25,5 25,4
Плечо 1,2 22,9 24,2 23,9
Кисть 0,7 12,2 12,9 8,0
Бедро 1,0 20.1 21,0 20,9
Голень 0,8 15,0 15,8 17,9
Стопа 0,8 14,2 15,0 7,5
Средневзвешенные - 18,5 19,5 19,0
В целях обеспечения возможности регулирования теплозащитных показателей одежды в соответствии с изменениями метеорологических
условий и интенсивностью физической работы, утеплитель в костюме представлен двумя слоями.
Фактором, ограничивающим продолжительность пребывания на открытой территории в диапазоне указанных метеорологических условий, является охлаждение поверхности лица. Рекомендуется применение специальной маски, изготовленной из одного слоя фланели и ветрозащитного материала, плотно прилегающей к поверхности лица и хорошо защищающей его от охлаждения.
Таким образом, влияние холода на работоспособность человека, критерии
оптимального теплового состояния человека в условиях Арктики, общие требования к материалам и конструкции теплозащитной одежды, особенности её проектирования являются обобщающими факторами при разработке костюма для военнослужащего. Проанализировав результат исследования по литературным источникам и доступную информацию в открытой печати, пришли к выводу, что для создания комфортных условий военнослужащего в Арктике, находящегося на открытом воздухе необходима не только соответствующая одежда (куртка, полукомбинезон), но и теплозащитная обувь, рукавицы, головной убор, защитная маска на лицо. При проектировании теплозащитной одежды необходимо учитывать все факторы в совокупности, влияющие на состояние военнослужащего в условиях Арктики.
Теплозащитную одежду допускается эксплуатировать и в закрытых помещениях, и на открытом воздухе. В зависимости от условий применения, комплектация теплозащитной одежды может быть различной:
- костюм, включающий в себя куртку и брюки (или полукомбинезон);
- комплект, состоящий из костюма и жилета;
- костюм и утепленное белье;
- комбинезон и жилет;
- другие варианты.
Полимерные материалы, применяемые для верха изделия, должны отвечать по качеству и назначению всем требованиям нормативных документов, для этого они обладать необходимыми свойствами [1].
Для изготовления одежды допускается использовать различные полимерные материалы. Это ткани из натуральных волокон, смешанные ткани, которые представляют собой смеси натуральных волокон с химическими волокнами или нитями. Применяемые ткани могут иметь различные дополнительные свойства, которые достигаются с помощью нанесения отделок или пропиток: водоотталкивающей, масло-, нефтестойкой и других.
Использование тканей из химических волокон в качестве верхнего слоя одежды возможно, если длительность пребывания военнослужащего в условиях пониженных температур составляет не более двух часов.
Полимерные материалы, используемые в теплозащитной одежде, должны соответствовать нормам санитарно-гигиенических требований [3].
Требования к качеству текстильных тканей, механических свойств подкладочных тканей
используемых в качестве верхнего слоя приведены в таблице 2.
теплозащитной одежды, а также показатели физико-
Таблица 2 - Требования к качеству текстильных тканей, используемых в качестве верхнего слоя и свойства подкладочных тканей
Наименование показателя Значение показателя Метод испытания, ГОСТ
Поверхностная плотность, г/м2, не менее 200 3811-72
Содержание натуральных или вискозных волокон, %, не менее 30 25617 83
Разрывная нагрузка, Н, не менее: по основе по утку 780 650 3813-72
Усилие раздирания, Н, не менее: основа уток 51 36 3813-72
Стойкость к истиранию, цикл, не менее: - для тканей с содержанием шерсти - для хлопчатобумажных тканей - для тканей с содержанием химических нитей (волокон) 4500 3500 5500 9913-90 18976-73 18976
Паропроницаемость, мг/см2 ч, не менее 4,0 22900-78
Водоупорность*, мм вод. ст., не менее 180 3816-81
Изменение линейных размеров после мокрой обработки, %, не более: по основе по утку -3,5 ±2,0 30157.1-95
Устойчивость окраски к физико-химическим воздействиям: Не ниже группы «прочная» 12930-67
- стирки 9733.4-83
- сухого трения 9733.27-83
- органических растворителей (химической чистки) 9733.13-83
Миграция волокон через ткани верха и подкладки Не более двух волокон на площади 150 см2 25617, 4659
Гигроскопичность, %, не менее 3 3816-81
Поверхностная плотность, г/м2, не менее 110 3811-72
Содержание натуральных вискозных волокон, %, не менее 50 25617-83
Разрывная нагрузка, Н, не менее: по основе по утку 216 177 3813-72
Стойкость к истиранию, циклы, не менее 1500 18976-73
Гигроскопичность, %, не менее 10 ГОСТ 3816-81
Паропроницаемость, мг/см2 ч, не менее 4,5 22900-78
Устойчивость окраски к физико-химическим воздействиям: Не ниже группы «прочная» 20272-96,
- стирки 9733.4-83
- пота 9733.6-83
- сухого трения 9733.27-83
- органических растворителей (химической чистки) 9733.13-83
Допускается снижение показателя
«водоупорность» для отделки ВО-У не более чем на 30 % после пяти стирок (ГОСТ 12.4.049-78) или после пяти химических чисток (ГОСТ 21050).
В качестве подкладки допускается использование ворсованных хлопчатобумажных тканей и смешанных тканей (типа байка, фланель).
При необходимости утепляющего слоя в одежде (при отсутствии специальных требований), в
качестве утеплителей применяют: натуральный мех, вату, нетканые утеплители, пухоперовой несвязный утеплитель (наполнитель) и др. Необходимые теплозащитные свойства специальной одежды обеспечиваются толщиной слоев утеплителя и их количеством.
Утеплитель (наполнитель) должен быть распределен по всей площади деталей изделия равномерно.
Применяемая в одежде фурнитура, галантерея (металлическая, пластмассовая, текстильная), застежки-молнии, пуговицы и т. д. должны быть устойчивыми к действию пониженных температур, глажению и химической чистке.
Теплозащитные свойства теплоизолирующей одежды определяются толщиной пакетов материалов, большая доля в формировании которой принадлежит утепляющему слою [4]. В процессе производства и при эксплуатации изделия в результате воздействия комплекса разрушающих факторов происходит изменение толщины утепляющего слоя. Величина утонения утеплителя зависит от его упругих свойств, условий и видов технологических и эксплуатационных воздействий.
Теплозащитные свойства одежды характеризуют показатели суммарного теплового сопротивления и воздухопроницаемость пакета материалов. Теплозащитные свойства пакета материалов одежды определяют инструментальным методом по ГОСТ 20489-75 «Материалы для одежды. Метод определения суммарного теплового
сопротивления».
Суммарное тепловое сопротивление пакета материалов одежды в условиях естественной конвекции, м2-°С/Вт, не менее:
а) 4 класс защиты одежды (плечевое изделие 0,77; поясное изделие 0,69);
б) 3 класс защиты одежды (плечевое изделие 0,83; поясное изделие 0,80);
в) 2 класс защиты одежды (плечевое изделие 0,64; поясное изделие 0,57);
г) 1 класс защиты одежды (плечевое изделие 0,51; поясное изделие 0,50);
Для обеспечения установленных требований ветрозащитных качеств в пакете материалов допускается использовать ветрозащитную прокладочную ткань (или ткань типа тик) дополнительно. Значение паропроницаемости ветрозащитной ткани должно быть не менее 45 г/м2 ч.
Теплозащитные свойства полного комплекта одежды для защиты от пониженных температур в реальных условиях эксплуатации характеризует показатель теплоизоляции комплекта,
определяемый по ГОСТ Р 12.4.185-99 «Система стандартов труда. Средства индивидуальной защиты от пониженных температур. Методы определения теплоизоляции комплекта» [3].
Эффективное соотношение таких показателей, как функциональность и комфорт теплозащитной одежды, в качестве одной из важнейших характеристик качества начали применять сравнительно недавно. Это стало возможным,
благодаря именно совершенствованию
теплозащитной одежды для экстремальных внештатных ситуаций и, прежде всего, в совершенствовании армейской амуниции. Основные функции одежды для военнослужащих связаны с защитой тела от воздействия различных опасностей и рисков. А в условиях Арктики защита от переохлаждения стоит на первом месте. Теплозащитная одежда в этих условиях должна быть еще и эргономичной. При изготовлении теплозащитной одежды для военнослужащих комфортности уделяется недостаточное внимание. Больший интерес уделяют высокой и разнообразной функциональности комплекта одежды. В основу развития современной теплозащитной одежды положен принцип равенства соотношений функциональность и комфорт [4, 5].
Для создания современной теплозащитной одежды необходимо разработать и эффективно применять надежную, научно-обоснованную методику выбора пакетов материалов. Это можно решить с помощью современных достижений в следующих областях науки: теплофизике, математике, материаловедении, медицине, дизайне, конструировании и технологии одежды.
Свойства современной теплозащитной одежды условно классифицируются на основные, комфортные, защитные и специальные.
Основные свойства - стойкость к различным деформациям, стабильность размеров, плотность, сорбционность, светостойкость, теплоизоляция. Комфортные - защита от переохлаждения, поглощение потовыделения, легкий вес, мягкость, жесткость, цветовой спектр, антипиллинг, малоусадочность, антимикробность (вирусы, грибок), отсутствие запаха, антиаллергенность.
Заключение
В работе достигнуты следующие результаты:
- сформулированы требования к обоснованной толщине пакетов материалов для различных участков комплектов одежды, предназначенной военнослужащим Арктики;
- обоснована методика выбора как вида, так и числа слоев утеплителя в зависимости от изменений метеорологических условий, в которых будет находиться военнослужащий Арктики;
- определены факторы, ограничивающие продолжительность пребывания военнослужащих Арктики при изменении метеорологических условий. Главными факторами являются продолжительность охлаждения поверхности лица до критической температуры и применяемые материалы для специальной маски для лица;
- уточнены критерии оптимального теплового состояния военнослужащих Арктики с сохранением или способностью выполнять возложенные на них обязанности.
Литература
1 Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ РФ 2014617468 (2014);
2 Р.А. Делль, Р.Ф. Афанасьева, З.С. Чубарова, Гигиена одежды: Учеб. пособие для вузов. Легпромбытиздат, Москва, 1991. 160 с.;
3 Б.А. Бузов, Н.Д. Алыменкова, Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное
производство): учебник для вузов. Академия, Москва, 2004. 448 с.;
4 В.Т. Прохоров, Н.В. Тихонова, Т.М Осина, Д.В. Рева, АА. Тартанов, П.Н. Козаченко, Вестник Казанского технологического университета, 17, 19, 130-135 (2014);
5 Р.Ф. Афанасьева, О.В. Бурмистрова, Л.В. Прокопенко, Холодовой стресс: медико-биологические аспекты профилактики: Монография. ООО фирма «Реифор», Москва, 2012. 214 с.
© 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]; С.Ю. Полухина - postgraduate student of the of Standardization, certification and commodity research Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, 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]; S. Yu. Poluhina -postgraduate student of the of Standardization, certification and commodity research Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: [email protected].
