Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики (сообщение 4) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УДК 685.54:519.68

Р. Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А. Б. Михайлов,

Т. М. Осина, И. Д. Михайлова, В. Т. Прохоров, Д. В. Рева

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОСТЮМА

ДЛЯ ВОЕННОСЛУЖАЩИХ АРКТИКИ

(Сообщение 4)

Ключевые слова: костюм, полимерный материал, военнослужащий, куртка теплозащитная, пакет материалов, физико-

механические и теплофизические характеристики материалов.

В сообщении 4 проведены исследования по созданию куртки для защиты от холода военнослужащего, находящегося в условиях Арктики. В основу создания теплозащитной одежды, предназначенной для эксплуатации в суровых погодных условиях Арктики, должен быть положен научный принцип, учитывающий физиологию теплообмена тела человека с окружающей средой. При разработке теплозащитной одежды следует выполнять требования к теплоизоляции всех областей тела. Пакеты полимерных материалов, рассматриваемые в данной работе, выбраны в соответствии с требованиями, предъявляемыми к теплозащитной одежде, в целом, и применяемым материалам, необходимым для её изготовления. При составлении пакетов учитывались не только теплофизические характеристики материалов, но и назначение каждого слоя теплозащитной одежды.

Keywords: clothing, polymer material, military man, cold, thermal protective jacket, the package materials, physicomechanical and

thermal properties of materials.

In the message 4 studied to create a jacket for protection from the cold soldiers in Arctic conditions. The basis of creation of heat-shielding clothes, designed for operation in harsh weather conditions of the Arctic should be based on the scientific principle that takes into account the physiology of the human body heat to the environment. In developing, the heat-shielding clothes must comply with the requirements for thermal insulation of all areas of the body. Packages polymeric materials considered in this paper, selected in accordance with the requirements for heat-protective clothing, in general, and the materials used, necessary for its manufacture. When compiling a package into account not only the thermal characteristics of the materials, but also the function of each layer heat-shielding clothes.

Введение

В качестве объекта исследования выбрана теплозащитная куртка для рядового военнослужащего, проходящего службу в Арктике, в экстремальных погодных условиях. Конструкция изделия и технология его изготовления соответствовали требованиям ГОСТ 12.4.236-236-2011 ССБТ «Одежда специальная для защиты от пониженных температур», которая изготавливается крупнейшим вертикально интегрированным холдингом легкой промышленности «БТК холдинг».

Основная часть

Для грамотного подбора пакета материалов для исследуемой куртки необходимо исследовать физико-механические и теплофизические характеристики полимерных материалов, а также получить сведения о специфике эксплуатации данного костюма, полученные из открытых литературных источников.

В таблице 1 приведены различные пакеты материалов для теплозащитной куртки, изготовленной из импортных полимерных материалов.

Выбор пакетов полимерных материалов проводился на основании изучения требований, предъявляемых к теплозащитной одежде, в целом, и применяемым для ее изготовления материалам, в частности. В связи с этим, при составлении пакетов учтены

не только теплофизические характеристики материалов, но и назначение каждого слоя одежды.

В таблице 2 приведены различные пакеты полимерных материалов отечественного производства, предназначенные для изготовления теплозащитной куртки.

Полимерные материалы, формирующие пакет костюма, соответствует требованиям, предъявляемым к изготовлению одежды для военнослужащих.

Трудность составления пакета заключалась в недостаточной информации по ряду материалов, поэтому пакеты материалов составлены из наиболее известных материалов импортного производства, пакет № 1* - №3* (табл. 2) составлен из материалов отечественного производства. Такой выбор связан с тем, что в настоящее время в связи с санкциями, введенными против России, снижается импорт из Западных стран основных материалов. В связи с этим, правительство России поддерживает предприятия, производящие продукцию из отечественного сырья. Особенно, если это касается вещевого имущества и форменной одежды силовых структур и ведомств страны. Тем более, в настоящее время существуют отечественные аналоги импортному сырью. Как следствие, большое разнообразие материалов, используемых при изготовлении теплозащитной одежды, приводит к ряду трудностей при выборе пакета материалов для конкретного изделия.

Таблица 1 - Характеристика пакета полимерных материалов импортного производства для производства куртки

Модель Материалы пакета Толщина, мм Коэффициент теплопроводности X, Вт/м-0С Коэффициент температуропроводности a (м2/ч)

Ткань синтетическая (100% ПЭ) 1,6 0,042 0,00044

Модель Утеплитель Ргота1ой 12,0 0,034 0,00036

Ткань подкладочная 0,76 0,039 0,00050

Ткань синтетическая (100% ПЭ) 1,6 0,042 0,00044

<N Л Утеплитель «Холлофан» 2 слоя 12,0 0,036 0,00034

4J д о S Ткань подкладочная 0,76 0,039 0,00050

Ткань синтетическая (100% ПЭ) 1,6 0,042 0,00044

S S Утеплитель «Комбишерсть» «250+150» 12,0 0,033 0,00033

Ткань подкладочная 0,76 0,039 0,00050

Таблица 2 - Характеристика пакета полимерных материалов отечественного производства для изготовления куртки

Модель Материалы пакета Толщина, мм Коэффициент теплопроводности X, Вт/м-0С Коэффициент температуропроводности a (м2/ч)

Модель 18 Мембранная ткань 3,5 0,06 0,00030

Синтепон (100% ПЭ) 15 0,035 0,00039

Флис 1,2 0,039 0,00034

Модель 28 Ткань ПЭ (арт. 06617-кв) 2,1 0,040 0,00044

Утеплитель Termofinn Micro 15 0,036 0,00032

Ткань подкладочная вискозо-комплексная 0,6 0,044 0,00052

Модель 38 Ткань смесовая (67% ПЭ + 33% ХЛ) 1,8 0,041 0,00044

Полотно прошивное «шерстон» 2 слоя (80% ПЭ + 20% шерсти) 20 0,038 0,00030

Ткань подкладочная арт. 32013 0,69 0,049 0,00051

Трудность выбора заключается в том, что при выборе материалов, применяемых для конкретного изделия, также учитывается регион, в котором будут эксплуатироваться данные изделия, так как конкретные изделия будут иметь различные условия эксплуатации применительно к климатическим зонам. Особенно это касается теплозащитной одежды, эксплуатируемой в условиях Арктики.

В настоящее время с появлением новых материалов, возможность информации о свойствах этих материалов затруднена. Поэтому актуален так же вопрос об определении физико-механических свойств, в частности теплофизических характеристик, новых материалов. Эти знания позволят оптимизировать технологический процесс изготовления изделий (т.е. определиться с выбором наилучшего варианта из множества возможных).

Основными критериями комфортности одежды приняты: температура кожи (не ниже 33,3°С) и температура пододёжного пространства (не ниже 34°С) [1]. Микроклимат пододёжного пространства является важным показателем комфортности одежды, в том числе при воздействии низких температур на неё.

Для носчика является не безразличным то, что при сохранении суммарной теплоотдачи, определенная часть тела охлаждается больше. Например, силь-

ное охлаждение ног невозможно полностью компенсировать нагреванием какой-либо другой части тела, без нарушения чувства комфортности человека [2]. В связи с этим, особенно важной является разработка математической модели, предназначенной для обоснования грамотного выбора пакета полимерных материалов, с целью создания условий комфортности носчика, учитывая при этом, величину и продолжительность воздействия на него низких температур.

Сложность изучаемого процесса теплообмена, а также невозможность учета всего многообразия действующих факторов на человека, требуют введения определенного ряда условий и ограничений, которые представлены ниже:

- человек рассматривается как целостный организм, получающий тепло из общей теплопродукции;

- комфортное тепловое состояние характеризуется температурой пододёжного пространства;

- охлаждение рассматривается только на первой стадии, при которой самочувствие человека все еще сохраняется нормальным, терморегуляторные функции его организма не напряжены, а температура кожи не ниже критической; это позволяет поддерживать теплообразование на определённом

среднем уровне, зависящем напрямую от физической активности человека;

- костюм, предназначенный для защиты основных частей тела носчика (туловище, руки, ноги) соответствует метеорологическим условиям, в которых он находится;

- увлажнение костюма влагой из внешней среды учитывается при выборе коэффициента теплоотдачи с поверхности костюма в окружающую среду и выборе коэффициентов теплопроводности и температуропроводности внешних слоёв одежды;

- при эксплуатации костюма зимой, в терморегуляции существенного значения испарение пота не имеет, поэтому может учитываться только при незначительном снижении теплозащитных свойств внутренних деталей пакета костюма.

Тепловое сопротивление костюма, обычно рассматривается как система, состоящая из отдельных полимерных материалов и являющаяся суммой тепловых сопротивлений отдельно-взятых слоёв и прослоек, таких как наружные детали костюма, подкладка, прослойки технологических клеев, воздуха и т.д., а также суммой сопротивлений перехода тепла из одной среды в другую, возникающей на границе отдельных слоев.

При построении математической модели необходимо учитывать основные факторы, которые оказывают влияние на температуру внутрикостюмного пространства. К данным факторам относятся теплообразование тела, температура окружающей среды, теплофизические свойства полимерных материалов, составляющих пакеты костюма, форма самих пакетов и теплоотдача в окружающую среду с внешней поверхности костюма.

Концепция построения математической модели основана на представлении костюма как совокупности многослойных пакетов полимерных материалов различного состава и формы [3].

Фигуры, аппроксимирующие человеческое тело, рассматриваются в качестве систем с сосредоточенными или распределенными параметрами. Аппроксимация тела одним цилиндром говорит только о приближённом воспроизведении теплового режима человека. В моделях, в которых создается грубое приближение, теплопродукция и теплопотери тканей тела, теплопроводность принимаются постоянными по всей толщине слоя или цилиндра. Большинством авторов не учитывается система физиологической терморегуляции человека, т. е. они рассматривают носчика только в комфортных условиях, в которых механизмы терморегуляции бездействуют. В данных исследованиях система терморегуляции человека учтена. Кровоток в тканях, метаболическая теплопродукция и теплопотери, возникающие при испарении, рассматриваются как функции средней температуры тела; температуры мозга и средней температуры кожи; температуры мозга, кожи и теплового потока с поверхности кожи.

Проведенный анализ существующих математических моделей теплового состояния тела человека в условиях влияния на него факторов окружающей среды позволяет определить форму элементов человеческого тела, которое предположительно можно

разделить на следующие участки: голова - шар; руки, ноги - цилиндры; туловище - набор эллиптических цилиндров - это в грубом приближении [3]. Таким образом, тело человека можно представить в виде совокупности геометрических фигур.

Разработанная ранее [4] математическая модель для выбора пакета материалов для обуви так же базировалось на представлении стопы в виде совокупности геометрических фигур. Поэтому возник вопрос о возможности использования данной модели применительно к выбору пакета материалов для обуви. Эта математическая модель была апробирована при расчёте пакета материалов для утепленного костюма [3]. Были получены положительные результаты.

При построении математической модели основными факторами, влияющими на температуру внутрикостюмного пространства, являются температура окружающей среды, теплообразование тела, теп-лофизические свойства полимерных материалов, составляющих пакеты костюма, форма самих пакетов и теплоотдача теплоотдача в окружающую среду с внешней поверхности комплекта костюма. [3].

Для расчётов распределения температуры использовались математические пакеты Maple. Исходными данными программы являлись: толщина слоев пакета полимерных материалов; коэффициенты температуропроводности и теплопроводности данных материалов; плотность теплового потока, поступающего от тела носчика на внутреннюю поверхность пакета; температура окружающей среды; начальная температура пакета полимерных материалов, формирующих костюм; коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности пакета в окружающую среду.

Решение задачи сводится к построению математической модели, позволяющей оптимизировать выбор полимерных материалов для изготовления теплозащитной одежды, а именно куртки для военнослужащего.

Необходимо рассмотреть задачу о распределении температуры в деталях одежды, представляющих собой многослойную цилиндрическую поверхность (формулы 1, 2):

4k = ai fi-T + 17г)+ — (1)

dt l\drf ridrJ clPl v '

C краевыми условиями:

7\(0,t) Ф «>;

дТ„

К(Än,t) + a(Tn(Rn,t) -Tc) = 0;

drn

Ti_1(Ri_1,t) = Ti(Ri_1,t);

Äi_1d^(Ri_1,t)=Äid£i(Ri_1,t). (2)

Начальные условия 7^(^,0) =/¿0^), где t -время; Ti - температура /-го слоя; i = 1 ...n; Тс -температура окружающей среды; ct - коэффициент теплоемкости i-го слоя; ai - коэффициент температуропроводности i-го слоя; pi - плотность i-го слоя; Лг- коэффициент теплопроводности i-го слоя;

— объемная плотность теплового потока /-го слоя; а — коэффициент теплоотдачи с поверхности кожи или защитного слоя (волосы, шапка); /|(гг) -начальная температура /-го слоя.

В качестве примера, рассмотрены пакеты полимерных материалов, применяемые для изготовления комплекта теплозащитной одежды, представленные в таблицах 1 и 2.

При расчёте авторами учтены следующие факторы: толщина полимерных материалов, формирующих пакет; коэффициент теплопроводности и температуропроводности материалов, составляющих пакет; плотность теплового потока, поступающего от тела носчика; температура окружающей среды; начальная температура пакета; коэффициент теплоотдачи в окружающую среду с внешней поверхности пакета; наличие дополнительной прослойки с использованием термоутеплителя: белье, шерстяной свитер и др.

При расчёте теплопотерь в зависимости от времени охлаждения учитывалось также то, что военнослужащий должен иметь соответствующую теплозащиту ног, рук и головы, то есть, пакет материалов костюма должен соответствовать климатическим условиям его нахождения и обеспечивать комфортность [5, 6].

Результаты расчётов теплопотерь в зависимости от времени охлаждения представлены на рис. 1 и 2, где показаны зависимости средневзвешенной температуры кожи тела человека от времени его нахождения при низких температурах (минус 20°С; минус 30°С; минус 40°С соответственно). Из приведённых рисунков видно, что при начальной средневзвешенной температуре кожи тела человека, составляющей +36°С, для всех пакетов материалов наблюдается

Рис. 1 - Результаты расчетов для пакетов, состоящих из материалов импортного производства

резкое падение температуры тела при температуре воздуха минус 20°С; минус 30°С; минус 40°С соответственно. Однако, для пакетов полимерных материалов № 3 и 3* и при температуре воздуха минус 20°С; минус 30°С; тенденция к снижению средневзвешенной температуры кожи уменьшается. Это

говорит о том, что военнослужащий, в куртке, изготовленной из материалов, составляющих пакеты № 3 и 3*, не будет ощущать тепловой дискомфорт на протяжении двух часов. При температуре минус 40°С пакет № 3 подтвердил удовлетворительные результаты только в течении одного часа, а пакет № 3* обеспечивает удовлетворительное состояние в течении двух часов.

Рис. 2 - Результаты расчетов для пакетов, состоящих из материалов отечественного производства

Для проверки безопасности теплозащитной куртки можно также использовать еще одну тепло-физическую характеристику - плотность теплового потока, который показывает скорость прохождения теплового потока на единицу площади.

При исследовании наблюдается резкое падение плотности теплового потока при температурах воздуха минус 20°С; минус 30°С; минус 40°С теплозащитной куртки пакета № 3* (рисунок 2).

При расчёте теплопотерь с поверхности теплозащитной куртки, составленной из пакета № 3* наблюдается линейная зависимость увеличения теплопотерь от времени охлаждения, что также подтверждает возможность разработанной программы для определения наиболее целесообразного выбора пакета материалов для изготовления теплозащитной одежды военнослужащих Арктики в различных метеорологических условиях.

Заключение

В статье достигнуты следующие результаты:

- осуществлено сравнение возможностей различных полимерных материалов на формирование теплозащитных свойств комплектов одежды военнослужащих Арктики в различных метеорологических условиях;

- подтверждение возможности использования программного продукта для обоснования выбора пакетов материалов для комплектов одежды военнослужащих Арктики в различных метеорологических условиях;

- достигнуто высокое совпадение расчётных значений потери тепла с поверхности испытуемых курток с экспериментальными данными, что подтверждает правомочность использования разработанного авторами программного продукта, для обоснованного выбора пакетов материалов для комплектов одежды военнослужащих Арктики, находящихся в различных метеорологических условиях;

- выполненные исследования по использованию отечественных полимерных материалов, в качестве утепляющих, для комплектов одежды военнослужащих Арктики в период необходимости импор-тозамещения, подтвердили их высокое качество и эффективность, что позволяет расширить исследования и их производство в связи с неудовлетворённостью в их потребности для всех отраслей.

Литература

1 Р.Ф. Афанасьева, О.В. Бурмистрова, Л.В. Прокопенко, Холодовой стресс: медико-биологические аспекты профилактики: Монография. ООО фирма «Реифор», Москва, 2012. 214 с.;

2 Р.А. Делль, Р.Ф. Афанасьева, З.С. Чубарова, Гигиена одежды: Учеб. пособие для вузов. Легпромбытиздат, Москва, 1991. 160 с.;

3 П.П. Кокеткин, Одежда: технология - техника, процессы - качество: справочник. Изд. МГУДТ, Москва, 2001. 560 с.;

4 Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ РФ 2014617468 (2014);

5 Р.Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров, Вестник технологического университета, 18, 15, 155-159 (2015);

6 Р.Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров, С.Ю. Полухина, Вестник технологического университета, 18, 15, 167-172 (2015).

© 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, email: [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]; Д. В. Рева - аспирант 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]; D. V. Reva - postgraduate student of the of Standardization, certification and commodity research Department, Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty, e-mail: [email protected].